美国的研究人员使用超级计算机深入了解太阳风的起源。 这是来自太阳的高能粒子流，可能会损坏卫星、威胁宇航员甚至破坏地球上的电气和电子系统。
这些带电粒子的发射通常很难预测，因为它们是太阳日冕（我们恒星的外层大气）中发生的复杂非线性过程的结果。 电晕是一种极热的电离粒子等离子体，无法在受控的实验室环境中重现。 现在，纽约市哥伦比亚大学的科学家们已经开发出一种用超级计算机预测这些事件的方法。
“由于我们对太阳附近等离子体特性的测量数量有限，因此对等离子体物理特性的了解存在很大的不确定性，”说 卢卡科米索, 合著者 洛伦佐西罗尼 描述该研究的报告。 “这些不确定性会因非线性过程（例如冲击、磁重联和湍流）而急剧放大。”
等离子体初始条件的不确定性，加上太阳粒子加速过程中涉及的非线性过程的复杂性，使这个问题难以解决。 因此，使用了一种严重依赖于新的高性能计算 (HPC) 方法的方法。
独一无二的成功
当然，HPC 并不是万能的，可以让用户对他们提出的任何问题都得到答案。 人们以前曾尝试过——但都失败了——使用超级计算来解决这个问题。 Comisso 和Sironi 的尝试取得了独一无二的成功。
科学家们一直在努力解决的一个问题是解释高能粒子如何从等离子体的较低热能中加速。 如果某些粒子首先被未知过程加速，则某些等离子体过程（如冲击）会进一步加速这些粒子，使其达到威胁卫星和宇航员的能量。 挑战在于理解最初的加速。
“这里尚未解决的关键问题是了解一些粒子如何从‘无到有’开始获得能量，”科米索说。 “一个主要的可能性是研究等离子体中湍流的影响，因为预计等离子体在太阳大气中处于湍流状态。 为了分析这种可能性并看看它是否真的有效，需要求解复杂的非线性方程。”
复杂计算
求解这些方程式需要 HPC 资源，而两人依赖于 细胞内颗粒法 描述湍流等离子体中粒子加速的过程。 为了简化复杂的计算，这个过程遵循在固定计算网格上计算的自洽电磁场中电子和离子的轨迹。
为了简化问题，之前的研究采用了混淆最终结果的近似值。 科米索说，他们最新的工作以独特的方式证明了太阳外层大气中的湍流提供了最初的加速。 此外，他们的结果是使用不使用先前近似值的严格方法获得的。
这项工作的大规模模拟是在美国宇航局的 昴 NASA 的超级计算机和 Cori超级计算机 在美国国家能源研究科学计算中心。 在两台机器中，研究人员在每次模拟中使用 50,000-100,000 个中央处理器 (CPU) 和大约 1500 个节点运行细胞内粒子代码。 需要大量的计算资源来跟踪每次模拟中涉及的近 200 亿个粒子。
保护太空探索
这项研究看起来将在提高我们对对宇航员和航天器构成威胁的辐射的理解方面发挥重要作用。
如果太阳超级风暴来袭怎么办？
“这些高能粒子对处于地球磁层保护层之外的人类构成威胁，”Comisso 说。 “从本质上讲，太阳经历了强烈的活动阶段，这可能会引起大的太阳高能粒子事件，具有显着强度的高能质子。 高能质子的强度大，对暴露在外的人类是一种辐射危害。 大剂量辐射会使宇航员患癌症甚至死亡的风险显着增加。”
然而，这项研究的意义远不止于此。 正如科米索指出的那样，太阳并不是唯一可以用这种方法研究的天体。 例如，粒子在其他天体（如中子星和黑洞）附近会被加速。
“我认为我们只是触及了超级计算机模拟可以告诉我们粒子如何在湍流等离子体中被激发的表面，”Comisso 说。
该研究描述于 天体物理学杂志信.
