Raziskovalci v ZDA so uporabili superračunalnike, da bi pridobili vpogled v izvor sončnega vetra. To je tok visokoenergijskih delcev s Sonca, ki lahko poškodujejo satelite, ogrožajo astronavte in celo motijo električne in elektronske sisteme na Zemlji.
Emisije teh nabitih delcev je na splošno težko predvideti, ker so posledica kompleksnih nelinearnih procesov, ki se dogajajo v Sončevi koroni – zunanji atmosferi naše zvezde. Korona je izjemno vroča plazma ioniziranih delcev, ki je ni mogoče reproducirati v nadzorovanem laboratorijskem okolju. Zdaj so znanstveniki na univerzi Columbia v New Yorku razvili metodo za napovedovanje teh dogodkov s superračunalniki.
"Ker imamo le omejeno število meritev lastnosti plazme v bližini Sonca, obstajajo precejšnje negotovosti v poznavanju fizikalnih lastnosti plazme," pravi Luca Comisso, soavtorica z Lorenzo Sironi poročila, ki opisuje raziskavo. "Te negotovosti dramatično povečajo nelinearni procesi, kot so šoki, magnetna ponovna povezava in turbulenca."
Zaradi negotovosti začetnih pogojev plazme v kombinaciji s kompleksnostjo nelinearnih procesov, ki so vključeni v pospeševanje sončnih delcev, je to težko rešljiv problem. Tako je bil uporabljen pristop, ki se močno opira na nove metode visokozmogljivega računalništva (HPC).
Edinstven v svojem uspehu
HPC seveda ni zdravilo, ki uporabniku omogoča, da dobi odgovor na vsako vprašanje, ki ga zastavi. Ljudje so že poskušali – in niso uspeli – uporabiti superračunalništvo za rešitev te težave. Comissov in Sironijev poskus je bil edinstven v svojem uspehu.
Ena od težav, s katero so se znanstveniki spopadali, je bila razložiti, kako se visokoenergijski delci pospešijo iz nižje toplotne energije plazme. Če se nekateri delci najprej pospešijo z neznanim postopkom, lahko nekateri plazemski procesi, kot so udarci, te delce dodatno pospešijo do energij, ki ogrožajo satelite in astronavte. Izziv je razumeti ta začetni pospešek.
"Ključna nerešena težava je bila razumeti, kako lahko nekateri delci začnejo pridobivati energijo iz 'nič'," pravi Comisso. »Glavna možnost je bila preučiti učinke turbulence v plazmi, saj naj bi bila plazma v sončevi atmosferi v turbulentnem stanju. Da bi analizirali to možnost in videli, ali res deluje, je treba rešiti kompleksne nelinearne enačbe.«
Kompleksni izračun
Reševanje teh enačb zahteva vire HPC in dvojica se je zanašala na metoda delcev v celici opisati proces pospeševanja delcev v turbulentni plazmi. Za poenostavitev kompleksnega izračuna ta proces sledi trajektorijam elektronov in ionov v samokonsistentnih elektromagnetnih poljih, izračunanih na fiksni računski mreži.
Da bi poenostavili problem, so prejšnje študije uporabljale približke, ki so zameglili končne rezultate. Comisso pravi, da je njihovo zadnje delo edinstveno pokazalo, da turbulenca v zunanji atmosferi Sonca zagotavlja začetni pospešek. Poleg tega je bil njihov rezultat dosežen z uporabo stroge metode, ki ni uporabljala prejšnjih približkov.
Obsežne simulacije za to delo so bile izvedene na NASA-i Plejade superračunalnik pri Nasi in Superračunalnik Cori v Nacionalnem računalniškem centru za raziskave energije v ZDA. V obeh napravah so raziskovalci izvajali kodo delcev v celici z uporabo med 50,000–100,000 centralnimi procesnimi enotami (CPE) in približno 1500 vozlišči za vsako simulacijo. Ta obsežen računalniški vir je bil potreben za spremljanje skoraj 200 milijard delcev, ki so bili vključeni v vsako simulacijo.
Zaščita raziskovanja vesolja
Zdi se, da bo ta raziskava igrala ključno vlogo pri izboljšanju našega razumevanja sevanja, ki ogroža astronavte in vesoljska plovila.
Kaj če bi udarila sončna super nevihta?
"Ti visokoenergijski delci predstavljajo tveganje za ljudi, ki so zunaj zaščitnega pokrova zemeljske magnetosfere," pravi Comisso. »V bistvu gre Sonce skozi faze močne aktivnosti, ki lahko povzročijo velike dogodke sončne energije z delci, s pomembno intenzivnostjo visokoenergijskih protonov. Velika intenzivnost visokoenergijskih protonov je nevarnost sevanja za izpostavljene ljudi. Veliki odmerki sevanja postavljajo astronavte v znatno povečano tveganje za raka in morda smrt.
Vendar pa posledice te raziskave segajo dlje. Kot poudarja Comisso, Sonce ni edini astrofizični objekt, ki ga lahko preučujemo s to metodo. Na primer, delci se pospešijo v bližini drugih nebesnih teles, kot so nevtronske zvezde in črne luknje.
"Mislim, da smo le opraskali površje tega, kar nam superračunalniške simulacije lahko povedo o tem, kako se lahko delci napajajo v turbulentni plazmi," pravi Comisso.
Raziskava je opisana v The Astrophysical Journal Letters.
