Naukowcy z USA wykorzystali superkomputery, aby uzyskać wgląd w pochodzenie wiatru słonecznego. Jest to strumień wysokoenergetycznych cząstek ze Słońca, które mogą uszkodzić satelity, zagrozić astronautom, a nawet zakłócić systemy elektryczne i elektroniczne na Ziemi.
Emisje tych naładowanych cząstek są generalnie trudne do przewidzenia, ponieważ są wynikiem złożonych nieliniowych procesów zachodzących w koronie Słońca – zewnętrznej atmosferze naszej gwiazdy. Korona to niezwykle gorąca plazma zjonizowanych cząstek, której nie można odtworzyć w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym. Teraz naukowcy z Columbia University w Nowym Jorku opracowali metodę przewidywania tych zdarzeń za pomocą superkomputerów.
„Ponieważ mamy tylko ograniczoną liczbę pomiarów właściwości plazmy w pobliżu Słońca, istnieje znaczna niepewność co do wiedzy o fizycznych właściwościach plazmy” – mówi Luca Comiso, współautor z Lorenza Sironiego raportu opisującego badania. „Te niepewności są dramatycznie wzmacniane przez procesy nieliniowe, takie jak wstrząsy, ponowne połączenie magnetyczne i turbulencje”.
Niepewność warunków początkowych plazmy w połączeniu ze złożonością nieliniowych procesów związanych z przyspieszaniem cząstek słonecznych sprawia, że jest to problem trudny do rozwiązania. W związku z tym zastosowano podejście, które w dużym stopniu opiera się na nowych metodach obliczeń o wysokiej wydajności (HPC).
Wyjątkowy w swoim sukcesie
Oczywiście HPC nie jest panaceum, które pozwala użytkownikowi otrzymać odpowiedź na każde zadane mu pytanie. Ludzie już wcześniej próbowali – i nie udało im się – użyć superkomputerów do rozwiązania tego problemu. Próba Comisso i Sironiego była wyjątkowa pod względem sukcesu.
Jednym z problemów, z którym zmagali się naukowcy, było wyjaśnienie, w jaki sposób cząstki o wysokiej energii są przyspieszane z niższej energii cieplnej plazmy. Jeśli niektóre cząstki zostaną najpierw przyspieszone w nieznanym procesie, niektóre procesy plazmowe, takie jak wstrząsy, mogą dodatkowo przyspieszyć te cząstki do energii, które zagrażają satelitom i astronautom. Wyzwaniem jest zrozumienie tego początkowego przyspieszenia.
„Kluczowym nierozwiązanym problemem było zrozumienie, w jaki sposób niektóre cząstki mogą zacząć zyskiwać energię od „zera”” – mówi Comisso. „Główną możliwością było zbadanie skutków turbulencji w plazmie, ponieważ oczekuje się, że plazma będzie w stanie turbulentnym w atmosferze Słońca. Aby przeanalizować tę możliwość i sprawdzić, czy to naprawdę działa, należy rozwiązać złożone równania nieliniowe.
Złożona kalkulacja
Rozwiązanie tych równań wymaga zasobów HPC, a duet polegał na metoda cząstka w komórce opisać proces przyspieszania cząstek w turbulentnej plazmie. Aby uprościć złożone obliczenia, proces ten podąża za trajektoriami elektronów i jonów w samospójnych polach elektromagnetycznych obliczonymi na ustalonej siatce obliczeniowej.
Aby uprościć problem, poprzednie badania wykorzystywały przybliżenia, które zaciemniały wyniki końcowe. Comisso mówi, że ich ostatnia praca w wyjątkowy sposób wykazała, że turbulencje w zewnętrznej atmosferze Słońca zapewniają początkowe przyspieszenie. Co więcej, ich wynik został osiągnięty przy użyciu rygorystycznej metody, która nie wykorzystywała wcześniejszych przybliżeń.
Symulacje na dużą skalę dla tej pracy zostały przeprowadzone na NASA Plejady superkomputer w NASA i Superkomputer Cori w amerykańskim Narodowym Centrum Obliczeniowym Badań nad Energią. Na obu maszynach badacze uruchomili kod cząstek w komórce, wykorzystując od 50,000 100,000 do 1500 200 jednostek centralnych (CPU) i około XNUMX węzłów na każdą symulację. Te znaczne zasoby obliczeniowe były potrzebne do śledzenia prawie XNUMX miliardów cząstek biorących udział w każdej symulacji.
Ochrona eksploracji kosmosu
Wygląda na to, że badania te odegrają kluczową rolę w pogłębianiu naszej wiedzy na temat promieniowania, które stanowi zagrożenie dla astronautów i statków kosmicznych.
Co jeśli uderzy super burza słoneczna?
„Te wysokoenergetyczne cząstki stanowią zagrożenie dla ludzi znajdujących się poza ochronną osłoną ziemskiej magnetosfery” – mówi Comisso. „Zasadniczo Słońce przechodzi przez fazy silnej aktywności, które mogą powodować duże energetyczne zdarzenia związane z cząstkami słonecznymi, ze znaczną intensywnością wysokoenergetycznych protonów. Duże natężenie protonów o wysokiej energii stanowi zagrożenie radiacyjne dla narażonych ludzi. Duże dawki promieniowania narażają astronautów na znaczny wzrost ryzyka raka i prawdopodobnie śmierci”.
Jednak implikacje tych badań wykraczają poza to. Jak zauważa Comisso, Słońce nie jest jedynym obiektem astrofizycznym, który można badać tą metodą. Na przykład cząstki są przyspieszane w pobliżu innych ciał niebieskich, takich jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury.
„Myślę, że zarysowaliśmy tylko powierzchnię tego, co symulacje superkomputerów mogą nam powiedzieć o tym, jak cząstki mogą być zasilane energią w turbulentnej plazmie” – mówi Comisso.
Badania opisano w The Astrophysical Journal Letters.
