I ricercatori negli Stati Uniti hanno utilizzato i supercomputer per ottenere informazioni sulle origini del vento solare. Questo è un flusso di particelle ad alta energia proveniente dal Sole che può danneggiare i satelliti, minacciare gli astronauti e persino interrompere i sistemi elettrici ed elettronici sulla Terra.
Le emissioni di queste particelle cariche sono generalmente difficili da prevedere perché sono il risultato di complessi processi non lineari che si verificano nella corona del Sole, l'atmosfera esterna della nostra stella. La corona è un plasma estremamente caldo di particelle ionizzate che non può essere riprodotto in un ambiente di laboratorio controllato. Ora, gli scienziati della Columbia University di New York City hanno sviluppato un metodo per prevedere questi eventi con i supercomputer.
"Poiché disponiamo solo di un numero limitato di misure delle proprietà del plasma in prossimità del Sole, vi sono significative incertezze nella conoscenza delle proprietà fisiche del plasma", afferma Luca Comisso, coautore con Lorenzo Sironi di un rapporto che descriva la ricerca. “Queste incertezze sono drammaticamente amplificate da processi non lineari, come shock, riconnessione magnetica e turbolenza”.
L'incertezza delle condizioni iniziali del plasma, unita alla complessità dei processi non lineari che sono coinvolti nell'accelerazione delle particelle solari, rendono questo problema di difficile soluzione. Pertanto, è stato utilizzato un approccio che si basa fortemente sui nuovi metodi di calcolo ad alte prestazioni (HPC).
Unico nel suo successo
Naturalmente, l'HPC non è una panacea che consente all'utente di ricevere la risposta a qualsiasi domanda venga posta. Le persone hanno già provato, senza riuscirci, a utilizzare il supercalcolo per risolvere questo problema. Unico nel suo successo il tentativo di Comisso e Sironi.
Un problema con cui gli scienziati hanno lottato è stato quello di spiegare come le particelle ad alta energia vengono accelerate dall'energia termica inferiore del plasma. Se alcune particelle vengono prima accelerate da un processo sconosciuto, alcuni processi del plasma come gli shock possono accelerare ulteriormente queste particelle alle energie che minacciano i satelliti e gli astronauti. La sfida è capire quell'accelerazione iniziale.
"Il problema principale irrisolto in questo caso era capire come alcune particelle potessero iniziare a guadagnare energia da zero", afferma Comisso. “Una delle principali possibilità era quella di esaminare gli effetti della turbolenza nel plasma poiché si prevede che il plasma si trovi in uno stato turbolento nell'atmosfera del Sole. Per analizzare questa possibilità e vedere se funziona davvero, è necessario risolvere equazioni non lineari complesse”.
Calcolo complesso
Risolvere queste equazioni richiede risorse HPC e il duo si è affidato a metodo della particella nella cellula per descrivere il processo di accelerazione delle particelle in un plasma turbolento. Per semplificare un calcolo complesso, questo processo segue le traiettorie di elettroni e ioni in campi elettromagnetici autoconsistenti calcolati su una griglia computazionale fissa.
Per semplificare il problema, studi precedenti utilizzavano approssimazioni che confondevano i risultati finali. Comisso afferma che il loro ultimo lavoro è stato l'unico in grado di dimostrare che la turbolenza nell'atmosfera esterna del Sole fornisce l'accelerazione iniziale. Inoltre, il loro risultato è stato ottenuto utilizzando un metodo rigoroso che non utilizzava approssimazioni precedenti.
Le simulazioni su larga scala per questo lavoro sono state eseguite su NASA Pleiadi supercomputer alla NASA e al Supercalcolatore Cori presso il National Energy Research Scientific Computing Center degli Stati Uniti. In entrambe le macchine, i ricercatori hanno eseguito il codice particella in cella utilizzando tra 50,000 e 100,000 unità di elaborazione centrale (CPU) e circa 1500 nodi per ciascuna simulazione. Questa sostanziale risorsa di calcolo era necessaria per tenere traccia dei quasi 200 miliardi di particelle coinvolte in ciascuna simulazione.
Proteggere l'esplorazione dello spazio
Questa ricerca sembra destinata a svolgere un ruolo fondamentale nell'aumentare la nostra comprensione delle radiazioni che rappresentano una minaccia per gli astronauti e le navicelle spaziali.
E se colpisse una super tempesta solare?
"Queste particelle ad alta energia rappresentano dei rischi per gli esseri umani che si trovano al di fuori della copertura protettiva della magnetosfera terrestre", afferma Comisso. “In sostanza, il Sole attraversa fasi di forte attività che possono dare origine a grandi eventi di particelle energetiche solari, con una significativa intensità di protoni ad alta energia. La grande intensità di protoni ad alta energia è un pericolo di radiazioni per gli esseri umani esposti. Grandi dosi di radiazioni mettono gli astronauti a un significativo aumento del rischio di cancro e possibilmente di morte.
Tuttavia, le implicazioni di questa ricerca vanno oltre. Come sottolinea Comisso, il Sole non è l'unico oggetto astrofisico che può essere studiato con questo metodo. Ad esempio, le particelle vengono accelerate in prossimità di altri oggetti celesti come stelle di neutroni e buchi neri.
"Penso che abbiamo solo scalfito la superficie di ciò che le simulazioni dei supercomputer possono dirci su come le particelle possono essere energizzate in un plasma turbolento", afferma Comisso.
La ricerca è descritta in I Astrophysical Journal Letters.
