米国の研究者は、太陽風の起源についての洞察を得るためにスーパーコンピューターを使用しました。 これは太陽からの高エネルギー粒子の流れであり、衛星に損傷を与えたり、宇宙飛行士を脅かしたり、地球上の電気および電子システムを混乱させたりする可能性さえあります。
これらの荷電粒子の放出は、太陽のコロナ (星の外層大気) で発生する複雑な非線形プロセスの結果であるため、一般に予測が困難です。 コロナは、制御された実験室環境では再現できない電離粒子の非常に高温のプラズマです。 現在、ニューヨーク市のコロンビア大学の科学者は、スーパーコンピューターを使用してこれらのイベントを予測する方法を開発しました。
「太陽付近のプラズマ特性の測定値は限られているため、プラズマの物理的特性の知識には大きな不確実性があります」と述べています。 ルカ・コミッソ、共著 ロレンツォ・シローニ 研究を説明するレポートの。 「これらの不確実性は、衝撃、磁気リコネクション、乱流などの非線形プロセスによって劇的に増幅されます。」
プラズマの初期条件の不確実性と、太陽粒子の加速に関与する非線形プロセスの複雑さが相まって、これを解決するのが難しい問題になっています。 そのため、新しいハイパフォーマンス コンピューティング (HPC) 手法に大きく依存するアプローチが使用されました。
ユニークな成功
もちろん、HPC は、ユーザーが尋ねた質問に対する回答を受け取ることができる万能薬ではありません。 スーパーコンピューティングを使用してこの問題を解決しようと試みた人も、失敗した人もいます。 コミッソとシローニの試みは、その成功においてユニークでした。
科学者が苦労してきた問題の XNUMX つは、高エネルギー粒子がプラズマのより低い熱エネルギーからどのように加速されるかを説明することでした。 一部の粒子が未知のプロセスによって最初に加速された場合、衝撃などの特定のプラズマ プロセスによって、これらの粒子が衛星や宇宙飛行士を脅かすエネルギーまでさらに加速される可能性があります。 課題は、その初期加速を理解することです。
「ここで未解決の重要な問題は、一部の粒子が『ゼロから』エネルギーを獲得し始める方法を理解することでした」と Comisso は言います。 「主な可能性は、プラズマが太陽の大気中で乱流状態にあると予想されるため、プラズマ内の乱流の影響を調べることでした. この可能性を分析し、それが実際に機能するかどうかを確認するには、複雑な非線形方程式を解く必要があります。」
複雑な計算
これらの方程式を解くには HPC リソースが必要であり、XNUMX 人はこれに依存していました。 粒子内細胞法 乱流プラズマにおける粒子加速のプロセスを説明します。 複雑な計算を単純化するために、このプロセスは、固定計算グリッドで計算された自己無撞着電磁界内の電子とイオンの軌道に従います。
問題を単純化するために、以前の研究では最終結果を曖昧にする近似を採用していました。 Comisso は、彼らの最新の研究は、太陽の外層大気の乱流が最初の加速を提供することを独自に示すことができたと述べています。 さらに、彼らの結果は、以前の近似値を使用しない厳密な方法を使用して達成されました。
この作業の大規模なシミュレーションは、NASA の プレアデス NASA のスーパーコンピューターと コリ スーパーコンピューター 米国の国立エネルギー研究科学計算センターで。 両方のマシンで、研究者は、シミュレーションごとに 50,000 ～ 100,000 の中央処理装置 (CPU) と約 1500 のノードを使用して、セル内粒子コードを実行しました。 このかなりのコンピューティング リソースは、各シミュレーションに含まれる約 200 億個の粒子を追跡するために必要でした。
宇宙探査の保護
この研究は、宇宙飛行士や宇宙船に脅威を与える放射線についての理解を深める上で重要な役割を果たすように見えます。
太陽のスーパーストームが襲ったら？
「これらの高エネルギー粒子は、地球の磁気圏の保護カバーの外にいる人間にリスクをもたらします」とコミッソは言います。 「本質的に、太陽は、かなりの強度の高エネルギー陽子を伴う、大きな太陽エネルギー粒子イベントを引き起こす可能性のある強力な活動の段階を通過します。 高エネルギー陽子の大きな強度は、被ばくした人間に対する放射線障害です。 放射線量が多いと、宇宙飛行士のがんリスクが大幅に高まり、場合によっては死亡する可能性があります。」
しかし、この研究の意味はそれを超えています。 Comisso が指摘するように、この方法で研究できる天体は太陽だけではありません。 たとえば、粒子は中性子星やブラック ホールなどの他の天体の近くで加速されます。
「乱流プラズマ中で粒子がどのように活性化されるかについて、スーパーコンピューターのシミュレーションが教えてくれることのほんの一部にすぎないと思います」と Comisso は言います。
研究はで説明されています 天体物理学ジャーナルの手紙.
