Onderzoekers in de VS hebben supercomputers gebruikt om inzicht te krijgen in de oorsprong van de zonnewind. Dit is een stroom van hoogenergetische deeltjes van de zon die satellieten kan beschadigen, astronauten kan bedreigen en zelfs elektrische en elektronische systemen op aarde kan ontwrichten.
De emissies van deze geladen deeltjes zijn over het algemeen moeilijk te voorspellen, omdat ze het resultaat zijn van complexe niet-lineaire processen die plaatsvinden in de corona van de zon – de buitenste atmosfeer van onze ster. De corona is een extreem heet plasma van geïoniseerde deeltjes dat niet kan worden gereproduceerd in een gecontroleerde laboratoriumomgeving. Nu hebben wetenschappers van Columbia University in New York City een methode ontwikkeld om deze gebeurtenissen met supercomputers te voorspellen.
“Aangezien we slechts een beperkt aantal metingen hebben van de plasma-eigenschappen in de buurt van de zon, zijn er aanzienlijke onzekerheden in de kennis van de fysische eigenschappen van het plasma”, zegt Luca Comisso, co-auteur met Lorenzo Sironi van een rapport waarin het onderzoek wordt beschreven. “Deze onzekerheden worden dramatisch versterkt door niet-lineaire processen, zoals schokken, magnetische herverbinding en turbulentie.”
De onzekerheid van de beginvoorwaarden van het plasma, gecombineerd met de complexiteit van de niet-lineaire processen die betrokken zijn bij de versnelling van de zonnedeeltjes, maken dit een moeilijk op te lossen probleem. Er werd dus gebruik gemaakt van een aanpak die sterk leunt op nieuwe high-performance computing (HPC)-methoden.
Uniek in zijn succes
Natuurlijk is HPC geen wondermiddel waarmee de gebruiker antwoord krijgt op elke vraag die hij stelt. Mensen hebben al eerder geprobeerd – en faalden – om supercomputing te gebruiken om dit probleem op te lossen. De poging van Comisso en Sironi was uniek in zijn succes.
Eén probleem waarmee wetenschappers hebben geworsteld, was het uitleggen hoe de hoogenergetische deeltjes worden versneld door de lagere thermische energie van het plasma. Als sommige deeltjes eerst worden versneld door een onbekend proces, kunnen bepaalde plasmaprocessen, zoals schokken, deze deeltjes verder versnellen tot de energieën die satellieten en astronauten bedreigen. De uitdaging is om die initiële versnelling te begrijpen.
“Het belangrijkste onopgeloste probleem hier was om te begrijpen hoe sommige deeltjes vanuit het niets energie konden winnen”, zegt Comisso. “Een belangrijke mogelijkheid was om de effecten van turbulentie in het plasma te onderzoeken, aangezien wordt verwacht dat het plasma zich in een turbulente toestand bevindt in de atmosfeer van de zon. Om deze mogelijkheid te analyseren en te kijken of het echt werkt, moet je complexe niet-lineaire vergelijkingen oplossen.”
Complexe berekening
Het oplossen van deze vergelijkingen vereist HPC-middelen en het duo vertrouwde op de deeltjes-in-cel-methode het proces van deeltjesversnelling in een turbulent plasma beschrijven. Om een complexe berekening te vereenvoudigen, volgt dit proces de trajecten van elektronen en ionen in zelfconsistente elektromagnetische velden, berekend op een vast rekenraster.
Om het probleem te vereenvoudigen, gebruikten eerdere onderzoeken benaderingen die de eindresultaten vertroebelden. Comisso zegt dat hun nieuwste werk op unieke wijze heeft kunnen aantonen dat turbulentie in de buitenste atmosfeer van de zon voor de initiële versnelling zorgt. Bovendien werd hun resultaat bereikt met behulp van een rigoureuze methode die geen eerdere benaderingen gebruikte.
De grootschalige simulaties voor dit werk zijn uitgevoerd op NASA's Pleiades supercomputer bij NASA en de Cori-supercomputer bij het Amerikaanse National Energy Research Scientific Computing Center. In beide machines voerden de onderzoekers deeltjes-in-cel-code uit met behulp van tussen de 50,000 en 100,000 centrale verwerkingseenheden (CPU's) en ongeveer 1500 knooppunten voor elke simulatie. Deze substantiële computerhulpbron was nodig om de bijna 200 miljard deeltjes bij te houden die bij elke simulatie betrokken waren.
Bescherming van de verkenning van de ruimte
Het lijkt erop dat dit onderzoek een cruciale rol gaat spelen bij het vergroten van ons begrip van de straling die een bedreiging vormt voor astronauten en ruimtevaartuigen.
Wat als er een zonne-superstorm zou plaatsvinden?
“Deze hoogenergetische deeltjes vormen risico’s voor de mens die zich buiten de beschermende laag van de magnetosfeer van de aarde bevinden”, zegt Comisso. “In wezen doorloopt de zon fasen van sterke activiteit die aanleiding kunnen geven tot grote zonne-energetische deeltjesgebeurtenissen, met een aanzienlijke intensiteit van hoogenergetische protonen. De grote intensiteit van protonen met hoge energie vormt een stralingsgevaar voor de blootgestelde mensen. Grote stralingsdoses zorgen ervoor dat astronauten een significant groter risico lopen op kanker en mogelijk op de dood.”
De implicaties van dit onderzoek reiken echter verder dan dat. Zoals Comisso opmerkt, is de zon niet het enige astrofysische object dat met deze methode kan worden bestudeerd. Deeltjes worden bijvoorbeeld versneld in de nabijheid van andere hemellichamen zoals neutronensterren en zwarte gaten.
“Ik denk dat we nog maar het oppervlak hebben betreden van wat supercomputersimulaties ons kunnen vertellen over hoe deeltjes energie kunnen krijgen in een turbulent plasma”, zegt Comisso.
Het onderzoek is beschreven in De astrofysische journaalbrieven.
