Forskere i USA har brukt superdatamaskiner for å få innsikt i opprinnelsen til solvinden. Dette er en strøm av høyenergipartikler fra solen som kan skade satellitter, true astronauter og til og med forstyrre elektriske og elektroniske systemer på jorden.
Utslipp av disse ladede partiklene er generelt vanskelig å forutsi fordi de er et resultat av komplekse ikke-lineære prosesser som skjer i solens korona – den ytre atmosfæren til stjernen vår. Koronaen er et ekstremt varmt plasma av ioniserte partikler som ikke kan reproduseres i et kontrollert laboratoriemiljø. Nå har forskere ved Columbia University i New York City utviklet en metode for å forutsi disse hendelsene med superdatamaskiner.
"Siden vi bare har et begrenset antall mål på plasmaegenskapene i nærheten av solen, er det betydelige usikkerhetsmomenter i kunnskapen om plasmaets fysiske egenskaper," sier Luca Comiso, medforfatter med Lorenzo Sironi av en rapport som beskriver forskningen. "Disse usikkerhetene forsterkes dramatisk av ikke-lineære prosesser, som støt, magnetisk gjentilkobling og turbulens."
Usikkerheten til plasmaets begynnelsesforhold, kombinert med kompleksiteten til de ikke-lineære prosessene som er involvert i akselerasjonen av solpartiklene, gjør dette til et vanskelig problem å løse. Dermed ble det brukt en tilnærming som er sterkt avhengig av nye high-performance computing (HPC) metoder.
Unik i sin suksess
HPC er selvfølgelig ikke et universalmiddel som lar brukeren få svar på alle spørsmål de stiller. Folk har prøvd – og mislyktes – å bruke superdatabehandling for å løse dette problemet før. Comiso og Sironis forsøk var unikt i sin suksess.
Et problem som forskere har slitt med, var å forklare hvordan høyenergipartiklene akselereres fra den lavere termiske energien til plasmaet. Hvis noen partikler først akselereres av en ukjent prosess, kan visse plasmaprosesser som sjokk akselerere disse partiklene ytterligere til energiene som truer satellitter og astronauter. Utfordringen er å forstå den første akselerasjonen.
"Det viktigste uløste problemet her var å forstå hvordan noen partikler kunne begynne å få energi fra "bunnen av", sier Comisso. "En stor mulighet var å se på effekten av turbulens i plasmaet siden plasmaet forventes å være i en turbulent tilstand i solens atmosfære. For å analysere denne muligheten og se om den virkelig fungerer, må man løse komplekse ikke-lineære ligninger."
Kompleks beregning
Å løse disse ligningene krever HPC-ressurser og duoen stolte på partikkel-i-celle-metoden å beskrive prosessen med partikkelakselerasjon i et turbulent plasma. For å forenkle en kompleks beregning, følger denne prosessen banene til elektroner og ioner i selvkonsistente elektromagnetiske felt beregnet på et fast beregningsnett.
For å forenkle problemet brukte tidligere studier tilnærminger som gjorde sluttresultatene grumset. Comisso sier at deres siste arbeid var unikt i stand til å vise at turbulens i solens ytre atmosfære gir den første akselerasjonen. Videre ble resultatet deres oppnådd ved å bruke en streng metode som ikke brukte tidligere tilnærminger.
De store simuleringene for dette arbeidet ble utført på NASA-er Pleiadene superdatamaskin hos NASA og Cori superdatamaskin ved USAs National Energy Research Scientific Computing Center. I begge maskinene kjørte forskerne partikkel-i-celle-kode ved å bruke mellom 50,000 100,000–1500 200 sentrale prosesseringsenheter (CPUer) og rundt XNUMX noder for hver simulering. Denne betydelige dataressursen var nødvendig for å holde styr på de nesten XNUMX milliarder partiklene som var involvert i hver simulering.
Beskytter romutforskning
Denne forskningen ser ut til å spille en viktig rolle i å øke vår forståelse av strålingen som utgjør en trussel mot astronauter og romfartøy.
Hva om en solenergi-superstorm treffer?
"Disse høyenergipartiklene utgjør en risiko for mennesker som er utenfor det beskyttende dekket av jordens magnetosfære," sier Comisso. "I hovedsak går solen gjennom faser med sterk aktivitet som kan gi opphav til store solenergipartikkelhendelser, med en betydelig intensitet av høyenergiprotoner. Den store intensiteten til høyenergiprotoner er en strålingsfare for de eksponerte menneskene. Store stråledoser gir astronauter en betydelig økning i kreftrisiko og muligens død.»
Implikasjonene av denne forskningen strekker seg imidlertid utover det. Som Comiso påpeker, er ikke solen det eneste astrofysiske objektet som kan studeres med denne metoden. For eksempel blir partikler akselerert i nærheten av andre himmellegemer som nøytronstjerner og sorte hull.
"Jeg tror vi bare skrapet på overflaten av hva superdatamasimuleringer kan fortelle oss om hvordan partikler kan bli energisert i et turbulent plasma," sier Comisso.
Forskningen er beskrevet i The Astrophysical Journal Letters.
