ABD'deki araştırmacılar, güneş rüzgarının kökenlerine dair bilgi edinmek için süper bilgisayarları kullandılar. Bu, uydulara zarar verebilecek, astronotları tehdit edebilecek ve hatta Dünya'daki elektrik ve elektronik sistemleri bozabilecek, Güneş'ten gelen yüksek enerjili parçacıkların akışıdır.
Bu yüklü parçacıkların emisyonlarını tahmin etmek genellikle zordur çünkü bunlar Güneş'in koronasında (yıldızımızın dış atmosferi) meydana gelen karmaşık doğrusal olmayan süreçlerin sonucudur. Korona, kontrollü bir laboratuvar ortamında yeniden üretilemeyen, iyonize parçacıklardan oluşan aşırı sıcak bir plazmadır. Şimdi New York City'deki Columbia Üniversitesi'ndeki bilim adamları, bu olayları süper bilgisayarlarla tahmin etmek için bir yöntem geliştirdiler.
"Güneş çevresindeki plazma özelliklerine ilişkin yalnızca sınırlı sayıda ölçüme sahip olduğumuz için, plazmanın fiziksel özelliklerine ilişkin bilgide önemli belirsizlikler var" diyor Luca Comisso, ortak yazar Lorenzo Sironi Araştırmayı açıklayan bir rapor. "Bu belirsizlikler şoklar, manyetik yeniden bağlanma ve türbülans gibi doğrusal olmayan süreçlerle çarpıcı biçimde artıyor."
Plazmanın başlangıç koşullarının belirsizliği, güneş parçacıklarının hızlanmasında rol oynayan doğrusal olmayan süreçlerin karmaşıklığıyla birleştiğinde, bu sorunu çözülmesi zor bir problem haline getiriyor. Bu nedenle, ağırlıklı olarak yeni yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) yöntemlerine dayanan bir yaklaşım kullanıldı.
Başarısında benzersiz
Elbette HPC, kullanıcının sorduğu her sorunun cevabını almasına olanak tanıyan her derde deva değildir. İnsanlar daha önce bu sorunu çözmek için süper hesaplamayı kullanmayı denediler ve başarısız oldular. Comisso ve Sironi'nin girişimi, başarısı açısından benzersizdi.
Bilim adamlarının uğraştığı sorunlardan biri, yüksek enerjili parçacıkların plazmanın düşük termal enerjisinden nasıl hızlandırıldığını açıklamaktı. Eğer bazı parçacıklar ilk önce bilinmeyen bir süreçle hızlandırılırsa, şok gibi bazı plazma süreçleri bu parçacıkları uyduları ve astronotları tehdit edecek enerjilere kadar hızlandırabilir. Buradaki zorluk, başlangıçtaki ivmeyi anlamaktır.
Comisso, "Burada çözülmemiş temel sorun, bazı parçacıkların 'sıfırdan' nasıl enerji kazanmaya başlayabileceğini anlamaktı" diyor. “Plazmanın Güneş atmosferinde türbülanslı bir durumda olması beklendiğinden, plazmadaki türbülansın etkilerini incelemek büyük bir olasılıktı. Bu olasılığı analiz etmek ve gerçekten işe yarayıp yaramadığını görmek için karmaşık doğrusal olmayan denklemlerin çözülmesi gerekiyor."
karmaşık hesaplama
Bu denklemlerin çözülmesi HPC kaynakları gerektirir ve ikili, hücre içi parçacık yöntemi türbülanslı bir plazmada parçacık hızlanma sürecini tanımlamak. Karmaşık bir hesaplamayı basitleştirmek için bu süreç, sabit bir hesaplama ızgarasında hesaplanan kendi kendine tutarlı elektromanyetik alanlardaki elektronların ve iyonların yörüngelerini takip eder.
Sorunu basitleştirmek için önceki çalışmalarda nihai sonuçları bulanıklaştıran yaklaşımlar kullanıldı. Comisso, son çalışmalarının, Güneş'in dış atmosferindeki türbülansın ilk hızlanmayı sağladığını benzersiz bir şekilde gösterebildiğini söylüyor. Dahası, sonuçları önceki yaklaşımları kullanmayan titiz bir yöntem kullanılarak elde edildi.
Bu çalışmaya yönelik büyük ölçekli simülasyonlar NASA'nın Ülker burcunun yedi yıldızı NASA'daki süper bilgisayar ve Cori süper bilgisayarı ABD'nin Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Bilgi İşlem Merkezi'nde. Her iki makinede de araştırmacılar, her simülasyon için 50,000 ila 100,000 arasında merkezi işlem birimi (CPU) ve yaklaşık 1500 düğüm kullanarak hücre içi parçacık kodunu çalıştırdılar. Bu önemli bilgi işlem kaynağına, her simülasyonda yer alan yaklaşık 200 milyar parçacığın takibini yapmak gerekiyordu.
Uzay araştırmalarını korumak
Bu araştırma, astronotlar ve uzay araçları için tehdit oluşturan radyasyona ilişkin anlayışımızı artırmada hayati bir rol oynayacak gibi görünüyor.
Ya bir güneş süper fırtınası vurursa?
Comisso, "Bu yüksek enerjili parçacıklar, Dünya'nın manyetosferinin koruyucu örtüsünün dışındaki insanlar için risk oluşturuyor" diyor. “Esasen Güneş, yüksek enerjili protonların önemli bir yoğunluğuyla, büyük güneş enerjili parçacık olaylarına yol açabilecek güçlü aktivite aşamalarından geçiyor. Yüksek enerjili protonların büyük yoğunluğu, maruz kalan insanlar için radyasyon tehlikesi oluşturur. Büyük radyasyon dozları astronotlarda kanser riskinde ve muhtemelen ölümde önemli bir artışa yol açıyor."
Ancak bu araştırmanın sonuçları bunun ötesine geçiyor. Comisso'nun da belirttiği gibi bu yöntemle incelenebilecek tek astrofiziksel cisim Güneş değil. Örneğin parçacıklar, nötron yıldızları ve kara delikler gibi diğer gök cisimlerinin yakınında hızlanır.
Comisso, "Süper bilgisayar simülasyonlarının türbülanslı bir plazmada parçacıklara nasıl enerji verileceği konusunda bize söyleyebileceklerinin yalnızca yüzeyini çizdiğimizi düşünüyorum" diyor.
Araştırma şu şekilde açıklanmaktadır: Astrofizik Dergi Mektupları.
