太陽耀斑通常與來自太陽的粒子排放增加有關(guān)。(來源：beStock/kittiphat/180260458)

美國的研究人員已經(jīng)使用超級計算機來深入了解太陽風(fēng)的起源。這是來自太陽的高能粒子流，可以損壞衛(wèi)星，威脅宇航員，甚至破壞地球上的電氣和電子系統(tǒng)。

這些帶電粒子的發(fā)射通常很難預(yù)測，因為它們是太陽日冕(我們恒星的外層大氣)中發(fā)生的復(fù)雜非線性過程的結(jié)果。日冕是一種極熱的電離粒子等離子體，無法在受控的實驗室環(huán)境中復(fù)制。現(xiàn)在，紐約市哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)了一種用超級計算機預(yù)測這些事件的方法。

“由于我們對太陽附近等離子體特性的測量數(shù)量有限，因此對等離子體物理特性的了解存在很大的不確定性，”與Lorenzo Sironi合著的一份報告的Luca Comisso說描述了這項研究。“這些不確定性被非線性過程大大放大，如沖擊、磁重聯(lián)和湍流。”

等離子體初始條件的不確定性，加上太陽粒子加速所涉及的非線性過程的復(fù)雜性，使得這個問題難以解決。因此，使用了一種嚴(yán)重依賴于新的高性能計算 (HPC) 方法的方法。

獨一無二的成功

當(dāng)然，HPC 并不是讓用戶收到他們提出的任何問題的答案的靈丹妙藥。人們以前嘗試過使用超級計算來解決這個問題，但都失敗了。Comisso 和 Sironi 的嘗試是獨一無二的。

科學(xué)家們一直在努力解決的一個問題是解釋高能粒子是如何從等離子體的較低熱能中加速的。如果某些粒子首先被未知過程加速，某些等離子體過程(如沖擊)可以進一步將這些粒子加速到威脅衛(wèi)星和宇航員的能量。挑戰(zhàn)在于理解初始加速度。

“這里未解決的關(guān)鍵問題是了解一些粒子如何從'零'開始獲得能量，”科米索說。“一個主要的可能性是研究等離子體中湍流的影響，因為預(yù)計等離子體在太陽大氣中處于湍流狀態(tài)。要分析這種可能性，看看它是否真的有效，需要求解復(fù)雜的非線性方程。”

復(fù)雜計算

求解這些方程需要 HPC 資源，兩人依靠細(xì)胞內(nèi)粒子方法來描述湍流等離子體中粒子加速的過程。為了簡化復(fù)雜的計算，該過程遵循在固定計算網(wǎng)格上計算的自洽電磁場中電子和離子的軌跡。

為了簡化問題，以前的研究采用了混淆最終結(jié)果的近似值。科米索說，他們的最新工作能夠獨特地表明太陽外層大氣中的湍流提供了初始加速度。此外，他們的結(jié)果是使用一種嚴(yán)格的方法實現(xiàn)的，該方法沒有采用以前的近似值。

這項工作的大規(guī)模模擬是在 NASA 的Pleiades超級計算機和美國國家能源研究科學(xué)計算中心的Cori 超級計算機上進行的。在這兩臺機器上，研究人員使用 50,000-100,000 個中央處理器 (CPU) 和大約 1500 個節(jié)點進行每次模擬運行粒子單元代碼。需要這種大量的計算資源來跟蹤每次模擬中涉及的近 2000 億個粒子。

保護太空探索

這項研究看起來將在增進我們對對宇航員和航天器構(gòu)成威脅的輻射的理解方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

如果太陽超級風(fēng)暴來襲怎么辦?

“這些高能粒子對處于地球磁層保護層之外的人類構(gòu)成風(fēng)險，”科米索說。“從本質(zhì)上講，太陽經(jīng)歷了強烈活動的階段，這可能會引發(fā)大型太陽高能粒子事件，并具有顯著的高能質(zhì)子強度。高能質(zhì)子的高強度對暴露的人體是一種輻射危害。大劑量的輻射使宇航員患癌癥的風(fēng)險顯著增加，甚至可能導(dǎo)致死亡。”

然而，這項研究的意義遠(yuǎn)不止于此。正如科米索所指出的，太陽并不是唯一可以用這種方法研究的天體物理物體。例如，粒子在中子星和黑洞等其他天體附近被加速。

“我認(rèn)為我們只是觸及了超級計算機模擬可以告訴我們粒子如何在湍流等離子體中被激發(fā)的表面，”科米索說。

這項研究在《天體物理學(xué)雜志快報》中有所描述。