นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อรับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับต้นกำเนิดของลมสุริยะ นี่คือการไหลของอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ที่สามารถทำลายดาวเทียม คุกคามนักบินอวกาศ และแม้แต่ทำลายระบบไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์บนโลก
การปล่อยอนุภาคมีประจุเหล่านี้มักคาดเดาได้ยาก เนื่องจากเป็นผลมาจากกระบวนการไม่เชิงเส้นที่ซับซ้อนซึ่งเกิดขึ้นในโคโรนาของดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นบรรยากาศชั้นนอกของดาวฤกษ์ของเรา โคโรนาเป็นพลาสมาที่ร้อนจัดของอนุภาคไอออไนซ์ซึ่งไม่สามารถทำซ้ำได้ในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุม ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียในนครนิวยอร์กได้พัฒนาวิธีการทำนายเหตุการณ์เหล่านี้ด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์
“เนื่องจากเรามีมาตรการจำกัดคุณสมบัติของพลาสมาในบริเวณใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์ จึงมีความไม่แน่นอนอย่างมากในความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพของพลาสมา” กล่าว ลูก้า โคมิสโซ่, ผู้เขียนร่วมกับ ลอเรนโซ่ ซิโรนี่ ของรายงานที่อธิบายการวิจัย “ความไม่แน่นอนเหล่านี้ถูกขยายอย่างมากโดยกระบวนการที่ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น การกระแทก การเชื่อมต่อด้วยสนามแม่เหล็ก และความปั่นป่วน”
ความไม่แน่นอนของสภาวะเริ่มต้นของพลาสมา บวกกับความซับซ้อนของกระบวนการไม่เชิงเส้นที่เกี่ยวข้องกับการเร่งความเร็วของอนุภาคสุริยะ ทำให้ปัญหานี้ยากแก่การแก้ไข ดังนั้น วิธีการที่อาศัยวิธีการประมวลผลประสิทธิภาพสูงแบบใหม่ (HPC) อย่างมากจึงถูกนำมาใช้
ไม่เหมือนใครในความสำเร็จ
แน่นอนว่า HPC ไม่ใช่ยาครอบจักรวาลที่ช่วยให้ผู้ใช้ได้รับคำตอบสำหรับคำถามที่ถาม ผู้คนเคยลองและล้มเหลวในการใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อแก้ปัญหานี้มาก่อน ความพยายามของ Comisso และ Sironi นั้นไม่เหมือนใครในความสำเร็จ
ปัญหาหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ต้องเผชิญคือการอธิบายว่าอนุภาคพลังงานสูงถูกเร่งจากพลังงานความร้อนที่ต่ำกว่าของพลาสมาได้อย่างไร หากอนุภาคบางส่วนถูกเร่งด้วยกระบวนการที่ไม่รู้จักในขั้นแรก กระบวนการพลาสมาบางอย่าง เช่น การกระแทกสามารถเร่งอนุภาคเหล่านี้ให้มีพลังงานที่คุกคามดาวเทียมและนักบินอวกาศได้ ความท้าทายคือการเข้าใจความเร่งเริ่มต้นนั้น
“ปัญหาสำคัญที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขในที่นี้คือการทำความเข้าใจว่าอนุภาคบางชนิดสามารถเริ่มได้รับพลังงานจาก 'การขีดข่วน' ได้อย่างไร” Comisso กล่าว “ความเป็นไปได้ที่สำคัญคือการพิจารณาผลกระทบของความปั่นป่วนในพลาสมา เนื่องจากคาดว่าพลาสมาจะอยู่ในสภาพปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ เพื่อวิเคราะห์ความเป็นไปได้นี้และดูว่าได้ผลจริงหรือไม่ จำเป็นต้องแก้สมการไม่เชิงเส้นที่ซับซ้อน”
การคำนวณที่ซับซ้อน
การแก้สมการเหล่านี้ต้องการทรัพยากร HPC และทั้งคู่พึ่งพา วิธีอนุภาคในเซลล์ เพื่ออธิบายกระบวนการเร่งอนุภาคในพลาสมาปั่นป่วน เพื่อทำให้การคำนวณที่ซับซ้อนง่ายขึ้น กระบวนการนี้เป็นไปตามวิถีโคจรของอิเล็กตรอนและไอออนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกันในตัวเองซึ่งคำนวณบนตารางคำนวณคงที่
เพื่อให้ปัญหาง่ายขึ้น การศึกษาก่อนหน้านี้ใช้การประมาณที่ทำให้ผลลัพธ์สุดท้ายสับสน Comisso กล่าวว่างานล่าสุดของพวกเขาสามารถแสดงให้เห็นความปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศรอบนอกของดวงอาทิตย์ได้อย่างไม่เหมือนใครซึ่งทำให้เกิดความเร่งในขั้นต้น ยิ่งไปกว่านั้น ผลลัพธ์ของพวกเขายังทำได้โดยใช้วิธีการที่เข้มงวดซึ่งไม่ได้ใช้การประมาณแบบก่อนหน้านี้
การจำลองขนาดใหญ่สำหรับงานนี้ดำเนินการโดย NASA กัตติกา ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ NASA และ the โคริ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ที่ศูนย์คอมพิวเตอร์วิทยาศาสตร์เพื่อการวิจัยพลังงานแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา ในเครื่องทั้งสองเครื่อง นักวิจัยรันรหัสอนุภาคในเซลล์โดยใช้หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ระหว่าง 50,000–100,000 หน่วย และโหนดประมาณ 1500 โหนดสำหรับการจำลองแต่ละครั้ง ทรัพยากรการคำนวณจำนวนมากนี้จำเป็นสำหรับการติดตามอนุภาคเกือบ 200 พันล้านตัวที่เกี่ยวข้องกับการจำลองแต่ละครั้ง
ปกป้องการสำรวจอวกาศ
การวิจัยนี้ดูเหมือนจะมีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมความเข้าใจของเราเกี่ยวกับรังสีที่เป็นภัยคุกคามต่อนักบินอวกาศและยานอวกาศ
เกิดอะไรขึ้นถ้าพายุสุริยะพุ่งเข้าใส่?
Comisso กล่าวว่า "อนุภาคพลังงานสูงเหล่านี้ก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อมนุษย์ที่อยู่นอกชั้นบรรยากาศแมกนีโตสเฟียร์ของโลก" โดยพื้นฐานแล้ว ดวงอาทิตย์ต้องผ่านช่วงของกิจกรรมที่รุนแรง ซึ่งสามารถก่อให้เกิดเหตุการณ์อนุภาคพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ ซึ่งมีโปรตอนพลังงานสูงที่มีความเข้มสูง ความเข้มสูงของโปรตอนพลังงานสูงเป็นอันตรายต่อรังสีต่อมนุษย์ที่สัมผัส ปริมาณรังสีที่มากทำให้นักบินอวกาศมีความเสี่ยงเป็นมะเร็งเพิ่มขึ้นอย่างมากและอาจเสียชีวิตได้”
อย่างไรก็ตาม ความหมายของการวิจัยนี้ไปไกลกว่านั้น ดังที่ Comisso ชี้ว่า ดวงอาทิตย์ไม่ใช่วัตถุทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์เพียงชนิดเดียวที่สามารถศึกษาด้วยวิธีนี้ได้ ตัวอย่างเช่น อนุภาคถูกเร่งให้เข้าใกล้วัตถุท้องฟ้าอื่นๆ เช่น ดาวนิวตรอนและหลุมดำ
“ผมคิดว่าเราเพียงแค่ขีดข่วนพื้นผิวของสิ่งที่การจำลองของซูเปอร์คอมพิวเตอร์สามารถบอกเราเกี่ยวกับวิธีที่อนุภาคสามารถถูกกระตุ้นในพลาสมาที่ปั่นป่วนได้” Comisso กล่าว
งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน จดหมายวารสารทางฟิสิกส์.
