Дослідники в США використовували суперкомп’ютери, щоб отримати уявлення про походження сонячного вітру. Це потік частинок високої енергії від Сонця, який може пошкодити супутники, загрожувати астронавтам і навіть вивести з ладу електричні та електронні системи на Землі.
Випромінювання цих заряджених частинок, як правило, важко передбачити, оскільки вони є результатом складних нелінійних процесів, що відбуваються в короні Сонця – зовнішній атмосфері нашої зірки. Корона — це надзвичайно гаряча плазма іонізованих частинок, яку неможливо відтворити в контрольованому лабораторному середовищі. Тепер вчені з Колумбійського університету в Нью-Йорку розробили метод прогнозування цих подій за допомогою суперкомп’ютерів.
«Оскільки ми маємо лише обмежену кількість вимірювань властивостей плазми поблизу Сонця, існують значні невизначеності у знанні фізичних властивостей плазми», — говорить Лука Коміссо, співавтор с Лоренцо Сіроні звіту, який описує дослідження. «Ці невизначеності різко посилюються нелінійними процесами, такими як удари, магнітне перез’єднання та турбулентність».
Невизначеність початкових умов плазми в поєднанні зі складністю нелінійних процесів, які беруть участь у прискоренні сонячних частинок, роблять цю проблему важкою для вирішення. Таким чином, був використаний підхід, який значною мірою покладається на нові методи високопродуктивних обчислень (HPC).
Унікальний у своєму успіху
Звичайно, HPC не є панацеєю, яка дозволяє користувачеві отримати відповідь на будь-яке запитання. Люди намагалися — і не вдавалися — використовувати суперкомп’ютери для вирішення цієї проблеми раніше. Спроба Коміссо і Сіроні була унікальною за своїм успіхом.
Однією з проблем, з якою боролися вчені, було пояснити, як високоенергетичні частинки прискорюються за рахунок нижчої теплової енергії плазми. Якщо деякі частинки спочатку прискорюються невідомим процесом, певні плазмові процеси, такі як удари, можуть ще більше прискорити ці частинки до енергії, яка загрожує супутникам і астронавтам. Завдання полягає в тому, щоб зрозуміти це початкове прискорення.
«Ключовою невирішеною проблемою тут було зрозуміти, як деякі частинки можуть почати отримувати енергію з «нуля», — каже Коміссо. «Основною можливістю було вивчення ефектів турбулентності в плазмі, оскільки очікується, що плазма перебуває в турбулентному стані в атмосфері Сонця. Щоб проаналізувати цю можливість і побачити, чи вона дійсно працює, потрібно розв’язати складні нелінійні рівняння».
Комплексний розрахунок
Розв’язання цих рівнянь потребує ресурсів HPC, і дует покладався на них метод «частинка в клітині». описати процес прискорення частинок у турбулентній плазмі. Щоб спростити складні розрахунки, цей процес слідує за траєкторіями електронів та іонів у самоузгоджених електромагнітних полях, обчислених на фіксованій обчислювальній сітці.
Щоб спростити проблему, попередні дослідження використовували наближення, які спотворювали кінцеві результати. Коміссо каже, що їх остання робота змогла унікально показати, що турбулентність у зовнішній атмосфері Сонця забезпечує початкове прискорення. Крім того, їхній результат був досягнутий за допомогою строгого методу, який не використовував попередні наближення.
Масштабне моделювання для цієї роботи було виконано на NASA Плеяди суперкомп'ютер в NASA і Суперкомп'ютер Cori у Національному науково-обчислювальному центрі енергетичних досліджень США. На обох машинах дослідники запустили код частинок у комірці, використовуючи від 50,000 100,000 до 1500 200 центральних процесорів (CPU) і приблизно XNUMX вузлів для кожної симуляції. Цей значний обчислювальний ресурс був необхідний для відстеження майже XNUMX мільярдів частинок, які були задіяні в кожній симуляції.
Захист дослідження космосу
Схоже, що це дослідження відіграє важливу роль у покращенні нашого розуміння радіації, яка становить загрозу для астронавтів і космічних кораблів.
Що, якби обрушився сонячний супершторм?
«Ці високоенергетичні частинки становлять небезпеку для людей, які знаходяться за межами захисної оболонки магнітосфери Землі», — каже Коміссо. «По суті, Сонце проходить через фази сильної активності, які можуть призвести до великих подій сонячних енергетичних частинок із значною інтенсивністю протонів високої енергії. Велика інтенсивність протонів високої енергії становить радіаційну небезпеку для опромінених людей. Великі дози опромінення значно підвищують ризик розвитку раку і, можливо, смерті астронавтів».
Однак наслідки цього дослідження виходять за рамки цього. Як зазначає Коміссо, Сонце – не єдиний астрофізичний об’єкт, який можна вивчати за допомогою цього методу. Наприклад, частинки прискорюються поблизу інших небесних об’єктів, таких як нейтронні зірки та чорні діри.
«Я думаю, що ми лише коснулися поверхні того, що суперкомп’ютерне моделювання може розповісти нам про те, як частинки можуть заряджатися енергією в турбулентній плазмі», — каже Коміссо.
Дослідження описано в Листи астрофізичних журналів.
