Pesquisadores nos EUA usaram supercomputadores para obter informações sobre as origens do vento solar. Este é um fluxo de partículas de alta energia provenientes do Sol que pode danificar satélites, ameaçar astronautas e até perturbar sistemas eléctricos e electrónicos na Terra.
As emissões destas partículas carregadas são geralmente difíceis de prever porque são o resultado de processos não lineares complexos que ocorrem na coroa do Sol – a atmosfera exterior da nossa estrela. A corona é um plasma extremamente quente de partículas ionizadas que não pode ser reproduzido em um ambiente controlado de laboratório. Agora, cientistas da Universidade Columbia, em Nova Iorque, desenvolveram um método para prever estes eventos com supercomputadores.
“Como temos apenas um número limitado de medidas das propriedades do plasma nas proximidades do Sol, existem incertezas significativas no conhecimento das propriedades físicas do plasma”, diz Lucas Comisso, co-autor com Lorenzo Sironi de um relatório que descreve a pesquisa. “Essas incertezas são dramaticamente amplificadas por processos não lineares, como choques, reconexão magnética e turbulência.”
A incerteza das condições iniciais do plasma, combinada com a complexidade dos processos não lineares que estão envolvidos na aceleração das partículas solares, tornam este um problema difícil de resolver. Assim, foi utilizada uma abordagem que depende fortemente de novos métodos de computação de alto desempenho (HPC).
Único em seu sucesso
É claro que HPC não é uma panacéia que permite ao usuário receber a resposta a qualquer pergunta que fizer. As pessoas já tentaram – e falharam – usar a supercomputação para resolver este problema antes. A tentativa de Comisso e Sironi foi única no seu sucesso.
Um problema que os cientistas têm enfrentado foi explicar como as partículas de alta energia são aceleradas a partir da energia térmica mais baixa do plasma. Se algumas partículas forem primeiro aceleradas por um processo desconhecido, certos processos de plasma, como os choques, podem acelerar ainda mais essas partículas para as energias que ameaçam os satélites e os astronautas. O desafio é entender essa aceleração inicial.
“O principal problema não resolvido aqui era entender como algumas partículas poderiam começar a ganhar energia do ‘zero’”, diz Comisso. “Uma grande possibilidade era examinar os efeitos da turbulência no plasma, uma vez que se espera que o plasma esteja num estado turbulento na atmosfera do Sol. Para analisar essa possibilidade e ver se ela realmente funciona, é preciso resolver equações não lineares complexas.”
Cálculo complexo
Resolver essas equações exige recursos de HPC e a dupla contou com o método de partícula na célula para descrever o processo de aceleração de partículas em um plasma turbulento. Para simplificar um cálculo complexo, este processo segue as trajetórias de elétrons e íons em campos eletromagnéticos autoconsistentes calculados em uma grade computacional fixa.
Para simplificar o problema, estudos anteriores empregaram aproximações que confundiram os resultados finais. Comisso diz que o seu trabalho mais recente foi capaz de mostrar de forma única que a turbulência na atmosfera exterior do Sol fornece a aceleração inicial. Além disso, o resultado foi alcançado através de um método rigoroso que não empregou aproximações anteriores.
As simulações em grande escala para este trabalho foram realizadas no satélite da NASA. Plêiades supercomputador da NASA e do Supercomputador Cori no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética dos EUA. Em ambas as máquinas, os pesquisadores executaram código de partícula na célula usando entre 50,000 e 100,000 unidades centrais de processamento (CPUs) e cerca de 1500 nós para cada simulação. Este recurso computacional substancial foi necessário para acompanhar os quase 200 bilhões de partículas envolvidas em cada simulação.
Protegendo a exploração espacial
Esta investigação parece destinada a desempenhar um papel vital no aumento da nossa compreensão da radiação que representa uma ameaça para os astronautas e as naves espaciais.
E se ocorrer uma supertempestade solar?
“Essas partículas de alta energia representam riscos para os seres humanos que estão fora da cobertura protetora da magnetosfera terrestre”, diz Comisso. “Essencialmente, o Sol passa por fases de forte atividade que podem dar origem a grandes eventos de partículas energéticas solares, com uma intensidade significativa de prótons de alta energia. A grande intensidade de prótons de alta energia é um perigo de radiação para os seres humanos expostos. Grandes doses de radiação colocam os astronautas em um risco significativo de câncer e possivelmente de morte.”
No entanto, as implicações desta pesquisa vão além disso. Como aponta Comisso, o Sol não é o único objeto astrofísico que pode ser estudado com este método. Por exemplo, as partículas são aceleradas na proximidade de outros objetos celestes, como estrelas de nêutrons e buracos negros.
“Acho que apenas arranhamos a superfície do que as simulações de supercomputadores podem nos dizer sobre como as partículas podem ser energizadas em um plasma turbulento”, diz Comisso.
A pesquisa é descrita em As Cartas do Jornal Astrofísico.
