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 of a report that describes the research. “These uncertainties are dramatically amplified by nonlinear processes, like shocks, magnetic reconnection, and turbulence.”
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.
“The key unresolved problem here was to understand how some particles could start gaining energy from ‘scratch’,” says Comisso. “A major possibility was to look into the effects of turbulence in the plasma since the plasma is expected to be in a turbulent state in the Sun’s atmosphere. To analyze this possibility and see if it really works, one needs to solve complex nonlinear equations.”
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 at the US’s National Energy Research Scientific Computing Center. In both machines, the researchers ran particle-in-cell code using between 50,000–100,000 central processing units (CPUs) and about 1500 nodes for each simulation. This substantial computing resource was needed to keep track of the nearly 200 billion particles that were involved in each simulation.
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.
