超级计算机模拟揭示了太阳如何加速带电粒子

热点：太阳耀斑通常与来自太阳的粒子排放增加有关。 （礼貌：AdobeStock/kittiphat/180260458）

美国的研究人员已经使用超级计算机来深入了解太阳风的起源。 这是来自太阳的高能粒子流，可以损坏卫星，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（我们恒星币的外层大气）中发生的复杂非线性过程的结果。 日冕是一种极热的电离粒子Plasma，无法在受控的实验室环境中复制。 现在，纽约市哥伦比亚大学的科学家们开发了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Plasma特性的测量数量有限，因此对Plasma物理特性的了解存在很大的不确定性，”与 Lorenzo Sironi 合着的一份报告的 Luca Comisso 说描述了这项研究。 “这些不确定性被非线性过程大大放大，如冲击、磁重联和湍流。”

Plasma初始条件的不确定性，加上太阳粒子加速所涉及的非线性过程的复杂性，使得这个问题难以解决。 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 并不是让用户收到他们提出的任何问题的答案的灵丹妙药。 人们以前尝试过使用超级计算来解决这个问题，但都失败了。 Comisso 和 Sironi 的尝试是独一无二的。

科学家们一直在努力解决的一个问题是解释高能粒子是如何从Plasma的较低热能中加速的。 如果某些粒子首先被未知过程加速，某些Plasma过程（如冲击）可以进一步将这些粒子加速到威胁卫星和宇航员的能量。 挑战在于理解初始加速度。

“这里未解决的关键问题是了解一些粒子如何从’零’开始获得能量，”科米索说。 “一个主要的可能性是研究Plasma中湍流的影响，因为预计Plasma在太阳大气中处于湍流状态。 要分析这种可能性，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

求解这些方程需要 HPC 资源，两人依靠细胞内粒子方法来描述湍流Plasma中粒子加速的过程。 为了简化复杂的计算，该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，以前的研究采用了改变最终结果的近似值。 科米索说，他们的最新工作能够独特地表明太阳外层大气中的湍流提供了初始加速度。 此外，他们的结果是使用一种严格的方法实现的，该方法没有采用以前的近似值。

这项工作的大规模模拟是在 NASA 的 Pleiades 超级计算机和美国国家能源研究科学计算中心的 Cori 超级计算机上进行的。 在这两台机器上，研究人员使用 50,000-100,000 个中央处理单元 (CPU) 和大约 1500 个节点进行每次模拟运行粒子单元代码。 需要这种大量的计算资源来跟踪每次模拟中涉及的近 2000 亿个粒子。

保护太空探索

这项研究看起来将在增进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至关重要的作用。

“这些高能粒子对处于地球磁层保护层之外的人类构成风险，”科米索说。 “从本质上讲，太阳经历了强烈活动的阶段，这可能会引发大型太阳高能粒子事件，并具有显着的高能质子强度。 高能质子的高强度对暴露的人体是一种辐射危害。 大剂量的辐射使宇航员患癌症的风险显着增加，甚至可能导致死亡。”

然而，这项研究的意义远不止于此。 正如科米索所指出的，太阳并不是唯一可以用这种方法研究的天体物理物体。 例如，粒子在中子星和黑洞等其他天体附近被加速。

“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Plasma中被激发的表面，”科米索说。

该研究在《天体物理学杂志快报》中有所描述。