Cercetătorii din SUA au folosit supercomputere pentru a obține informații despre originile vântului solar. Acesta este un flux de particule de înaltă energie de la Soare care poate deteriora sateliții, amenința astronauții și chiar poate perturba sistemele electrice și electronice de pe Pământ.
Emisiile acestor particule încărcate sunt în general greu de prezis, deoarece sunt rezultatul unor procese neliniare complexe care au loc în coroana Soarelui – atmosfera exterioară a stelei noastre. Corona este o plasmă extrem de fierbinte de particule ionizate care nu poate fi reprodusă într-un mediu de laborator controlat. Acum, oamenii de știință de la Universitatea Columbia din New York City au dezvoltat o metodă pentru a prezice aceste evenimente cu ajutorul supercalculatoarelor.
„Deoarece avem doar un număr limitat de măsurători ale proprietăților plasmei în vecinătatea Soarelui, există incertitudini semnificative în cunoașterea proprietăților fizice ale plasmei”, spune Luca Comisso, coautor cu Lorenzo Sironi a unui raport care descrie cercetarea. „Aceste incertitudini sunt amplificate dramatic de procese neliniare, cum ar fi șocurile, reconectarea magnetică și turbulența.”
Incertitudinea condițiilor inițiale ale plasmei, combinată cu complexitatea proceselor neliniare care sunt implicate în accelerarea particulelor solare, fac din aceasta o problemă greu de rezolvat. Astfel, a fost utilizată o abordare care se bazează în mare măsură pe noi metode de calcul de înaltă performanță (HPC).
Unic în succesul său
Desigur, HPC nu este un panaceu care să permită utilizatorului să primească răspunsul la orice întrebare pe care o pun. Oamenii au încercat – și nu au reușit – să folosească supercalculatura pentru a rezolva această problemă înainte. Încercarea lui Comisso și Sironi a fost unică în succes.
O problemă cu care s-au luptat oamenii de știință a fost să explice modul în care particulele de înaltă energie sunt accelerate de la energia termică inferioară a plasmei. Dacă unele particule sunt mai întâi accelerate printr-un proces necunoscut, anumite procese cu plasmă, cum ar fi șocurile, pot accelera și mai mult aceste particule până la energiile care amenință sateliții și astronauții. Provocarea este să înțelegem acea accelerație inițială.
„Problema cheie nerezolvată aici a fost să înțelegem cum unele particule ar putea începe să câștige energie de la „de la zero”,” spune Comisso. „O posibilitate majoră a fost să analizăm efectele turbulenței în plasmă, deoarece plasma se așteaptă să fie într-o stare turbulentă în atmosfera Soarelui. Pentru a analiza această posibilitate și a vedea dacă funcționează cu adevărat, trebuie să rezolvăm ecuații neliniare complexe.”
Calcul complex
Rezolvarea acestor ecuații necesită resurse HPC, iar duoul s-a bazat pe metoda particulelor în celulă pentru a descrie procesul de accelerare a particulelor într-o plasmă turbulentă. Pentru a simplifica un calcul complex, acest proces urmărește traiectoriile electronilor și ionilor în câmpuri electromagnetice auto-consistente calculate pe o rețea de calcul fixă.
Pentru a simplifica problema, studiile anterioare au folosit aproximări care au tulburat rezultatele finale. Comisso spune că ultima lor lucrare a fost capabilă în mod unic să arate că turbulențele din atmosfera exterioară a Soarelui furnizează accelerația inițială. Mai mult, rezultatul lor a fost obținut folosind o metodă riguroasă care nu a folosit aproximări anterioare.
Simulările la scară largă pentru această lucrare au fost efectuate pe NASA Pleiade supercalculator de la NASA și Supercomputerul Cori la Centrul Național de Calcul Științific de Cercetare Energetică din SUA. În ambele mașini, cercetătorii au rulat codul particulelor în celulă folosind între 50,000-100,000 de unități centrale de procesare (CPU) și aproximativ 1500 de noduri pentru fiecare simulare. Această resursă de calcul substanțială a fost necesară pentru a ține evidența celor aproape 200 de miliarde de particule care au fost implicate în fiecare simulare.
Protejarea explorării spațiului
Această cercetare pare să joace un rol vital în îmbunătățirea înțelegerii noastre asupra radiațiilor care reprezintă o amenințare pentru astronauți și nave spațiale.
Ce se întâmplă dacă o super-furtună solară lovește?
„Aceste particule de înaltă energie prezintă riscuri pentru oameni care se află în afara capacului protector al magnetosferei Pământului”, spune Comisso. „În esență, Soarele trece prin faze de activitate puternică care pot da naștere la evenimente mari de particule energetice solare, cu o intensitate semnificativă de protoni de înaltă energie. Intensitatea mare a protonilor de înaltă energie este un pericol de radiație pentru oamenii expuși. Dozele mari de radiații îi pun pe astronauți la o creștere semnificativă a riscului de cancer și, posibil, de moarte.”
Cu toate acestea, implicațiile acestei cercetări depășesc asta. După cum subliniază Comisso, Soarele nu este singurul obiect astrofizic care poate fi studiat cu această metodă. De exemplu, particulele sunt accelerate în apropierea altor obiecte cerești, cum ar fi stelele neutronice și găurile negre.
„Cred că am zgâriat doar suprafața a ceea ce ne pot spune simulările de supercomputer despre modul în care particulele pot fi energizate într-o plasmă turbulentă”, spune Comisso.
Cercetarea este descrisă în Scrisorile din jurnalul astrofizic.
