Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã sử dụng siêu máy tính để hiểu rõ hơn về nguồn gốc của gió mặt trời. Đây là một dòng hạt năng lượng cao từ Mặt trời có thể làm hỏng các vệ tinh, đe dọa các phi hành gia và thậm chí phá vỡ các hệ thống điện và điện tử trên Trái đất.
Sự phát xạ của các hạt tích điện này thường khó dự đoán vì chúng là kết quả của các quá trình phi tuyến tính phức tạp xảy ra trong nhật hoa của Mặt trời – bầu khí quyển bên ngoài của ngôi sao của chúng ta. Nhật hoa là một plasma cực nóng gồm các hạt bị ion hóa không thể tái tạo trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát. Giờ đây, các nhà khoa học tại Đại học Columbia ở Thành phố New York đã phát triển một phương pháp dự đoán những sự kiện này bằng siêu máy tính.
“Vì chúng ta chỉ có một số phép đo hạn chế về tính chất của plasma ở vùng lân cận Mặt trời, nên có sự không chắc chắn đáng kể trong kiến thức về tính chất vật lý của plasma,” nói Luca Comisso, đồng tác giả với Lorenzo Sironi của một báo cáo mô tả nghiên cứu. “Những sự không chắc chắn này được khuếch đại đáng kể bởi các quá trình phi tuyến tính, như cú sốc, kết nối lại từ trường và nhiễu loạn.”
Sự không chắc chắn của các điều kiện ban đầu của plasma, kết hợp với sự phức tạp của các quá trình phi tuyến tính liên quan đến sự gia tốc của các hạt mặt trời, khiến đây trở thành một vấn đề khó giải quyết. Do đó, một cách tiếp cận chủ yếu dựa vào các phương pháp tính toán hiệu năng cao (HPC) mới đã được sử dụng.
Độc đáo trong sự thành công của nó
Tất nhiên, HPC không phải là thuốc chữa bách bệnh cho phép người dùng nhận được câu trả lời cho bất kỳ câu hỏi nào họ đặt ra. Mọi người đã thử - và thất bại - sử dụng siêu máy tính để giải quyết vấn đề này trước đây. Nỗ lực của Comisso và Sironi là thành công duy nhất.
Một vấn đề mà các nhà khoa học đã phải vật lộn là giải thích làm thế nào các hạt năng lượng cao được gia tốc từ năng lượng nhiệt thấp hơn của plasma. Nếu một số hạt lần đầu tiên được gia tốc bởi một quá trình chưa biết, thì một số quá trình plasma nhất định như các cú sốc có thể tiếp tục đẩy nhanh các hạt này tới mức năng lượng đe dọa các vệ tinh và phi hành gia. Thách thức là hiểu được gia tốc ban đầu đó.
Comisso nói: “Vấn đề mấu chốt chưa được giải quyết ở đây là hiểu làm thế nào một số hạt có thể bắt đầu thu năng lượng từ 'đầu'. “Một khả năng chính là xem xét tác động của nhiễu loạn trong plasma vì plasma được cho là sẽ ở trạng thái hỗn loạn trong bầu khí quyển của Mặt trời. Để phân tích khả năng này và xem liệu nó có thực sự hoạt động hay không, người ta cần giải các phương trình phi tuyến tính phức tạp.”
tính toán phức tạp
Việc giải các phương trình này đòi hỏi tài nguyên HPC và bộ đôi này đã dựa vào phương pháp hạt trong tế bào để mô tả quá trình gia tốc hạt trong plasma hỗn loạn. Để đơn giản hóa một phép tính phức tạp, quá trình này đi theo quỹ đạo của các electron và ion trong các trường điện từ tự ổn định được tính toán trên một lưới tính toán cố định.
Để đơn giản hóa vấn đề, các nghiên cứu trước đây đã sử dụng các phép tính gần đúng làm sai lệch kết quả cuối cùng. Comisso nói rằng công trình mới nhất của họ có khả năng duy nhất chỉ ra rằng sự nhiễu loạn trong bầu khí quyển bên ngoài của Mặt trời mang lại gia tốc ban đầu. Hơn nữa, kết quả của họ đã đạt được bằng cách sử dụng một phương pháp nghiêm ngặt không sử dụng các phép tính gần đúng trước đó.
Các mô phỏng quy mô lớn cho công việc này đã được thực hiện trên NASA's Phế quản siêu máy tính tại NASA và siêu máy tính Cori tại Trung tâm Điện toán Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia Hoa Kỳ. Trong cả hai máy, các nhà nghiên cứu đã chạy mã hạt trong tế bào bằng cách sử dụng từ 50,000–100,000 đơn vị xử lý trung tâm (CPU) và khoảng 1500 nút cho mỗi mô phỏng. Tài nguyên máy tính đáng kể này là cần thiết để theo dõi gần 200 tỷ hạt có liên quan đến mỗi mô phỏng.
Bảo vệ thám hiểm không gian
Nghiên cứu này có vẻ sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiểu biết của chúng ta về bức xạ gây ra mối đe dọa cho các phi hành gia và tàu vũ trụ.
Điều gì sẽ xảy ra nếu một siêu bão mặt trời ập đến?
Comisso cho biết: “Những hạt năng lượng cao này gây rủi ro cho con người ở bên ngoài lớp vỏ bảo vệ của từ quyển Trái đất. “Về cơ bản, Mặt trời trải qua các giai đoạn hoạt động mạnh có thể tạo ra các sự kiện hạt năng lượng mặt trời lớn, với cường độ đáng kể của các proton năng lượng cao. Cường độ lớn của các proton năng lượng cao là một nguy cơ bức xạ đối với con người bị phơi nhiễm. Liều phóng xạ lớn khiến các phi hành gia có nguy cơ mắc bệnh ung thư và có thể tử vong cao hơn đáng kể.”
Tuy nhiên, ý nghĩa của nghiên cứu này vượt xa điều đó. Như Comisso đã chỉ ra, Mặt trời không phải là đối tượng vật lý thiên văn duy nhất có thể được nghiên cứu bằng phương pháp này. Ví dụ, các hạt được gia tốc khi ở gần các thiên thể khác như sao neutron và lỗ đen.
Comisso nói: “Tôi nghĩ chúng ta mới chỉ vạch ra bề nổi của những gì mô phỏng siêu máy tính có thể cho chúng ta biết về cách các hạt có thể được cung cấp năng lượng trong plasma hỗn loạn.
Nghiên cứu được mô tả trong Tạp chí Vật lý Thiên văn.
