بررسی جریان انرژی در پلاسما با کمک بزرگترین شبیه‌سازی رایانه‌ای

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما و به نقل از فیز، این فرآیند که در «آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون» (PPPL) وابسته به «وزارت انرژی آمریکا» (DOE) کشف شد، می‌تواند حل کردن معما‌های اخترفیزیکی مانند شکل‌گیری ستاره‌ها، منشاء میدان‌های مغناطیسی بزرگ در کیهان و توانایی پیش‌بینی رویداد‌های آب و هوایی که می‌توانند خدمات تلفن همراه را مختل کنند و شبکه‌های برق روی زمین را خاموش کنند، بهبود ببخشد. درک فرآیند گرمایش، پیامد‌هایی را نیز برای تحقیقات همجوشی دارد.

«چوانفی دانگ» (Chuanfei Dong)، فیزیکدان آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون و «دانشگاه پرینستون» (Princeton University) گفت که این فرآیند را با ۲۰۰ میلیون ساعت کار رایانه‌ای برای بزرگترین شبیه‌سازی جهان در نوع خود آشکار کرده است.

وی افزود: شبیه‌سازی عددی مستقیم ما، نخستین موردی است که شناسایی واضح این مکانیسم گرمایش را در فضای سه‌بعدی ارائه می‌کند. تجهیزات تلسکوپ‌ها و فضاپیما‌های کنونی ممکن است وضوح کافی را برای شناسایی فرآیندی که در مقیاس‌های کوچک رخ می‌دهد، نداشته باشند.

عنصر پنهان، فرآیندی به نام اتصال مجدد مغناطیسی است که میدان‌های مغناطیسی پلاسما را جدا و با خشونت دوباره به هم متصل می‌کند. پلاسما حاوی الکترون‌ها و هسته‌های اتمی است که جو خورشید را تشکیل می‌دهند. شبیه‌سازی دانگ نشان داد که اتصال مجدد و سریع خطوط میدان مغناطیسی چگونه انرژی آشفته در مقیاس بزرگ را به انرژی داخلی کوچک تبدیل می‌کند. در نتیجه، انرژی متلاطم به طور مؤثری به انرژی حرارتی در مقیاس‌های کوچک تبدیل می‌شود و تاج را فوق‌العاده گرم می‌کند.

دانگ ادامه داد: به ریختن خامه در قهوه فکر کنید. قطره‌های خامه به سرعت به حلقه‌ها و منحنی‌های باریک تبدیل می‌شوند. میدان‌های مغناطیسی نیز به طور مشابه صفحات نازکی از جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهند که به دلیل اتصال مجدد مغناطیسی شکسته می‌شوند. این فرآیند، آبشار انرژی را از مقیاس بزرگ به مقیاس کوچک می‌رساند و این فرآیند را در تاج خورشیدی آشفته، کارآمدتر از آنچه قبلا تصور می‌شد، می‌کند.

وی افزود: وقتی فرآیند اتصال مجدد کند و آبشار متلاطم سریع است، اتصال مجدد نمی‌تواند بر انتقال انرژی در مقیاس‌ها تأثیر بگذارد، اما زمانی که اتصال مجدد به اندازه‌ای سریع می‌شود که از سرعت آبشاری سنتی فراتر می‌رود، می‌تواند آبشار را به طور مؤثرتری به سمت مقیاس‌های کوچک حرکت دهد.

«آمیتاوا باتاچارجی» (Amitava Bhattacharjee)، استاد علوم ستاره‌شناسی دانشگاه پرینستون و ناظر این پژوهش گفت: دانگ بزرگترین شبیه‌سازی تلاطم را در نوع خود انجام داده که بیش از ۲۰۰ میلیون واحد پردازش مرکزی را در بخش «ابررایانه پیشرفته ناسا» (NAS) به خود اختصاص داده است. این آزمایش عددی برای نخستین بار، شواهد غیرقابل انکاری را در مورد یک مکانیسم پیش‌بینی‌شده تئوری برای محدوده‌ای از آبشار انرژی آشفته که قبلا کشف نشده بود، تولید کرد.

وی افزود: مقاله دانگ، برنامه محاسباتی پژوهش پیشین او را که در مجله «Physical Review Letters» به چاپ رسیده بود، تکمیل می‌کند.

تأثیر این یافته‌های جدید را می‌توان با فضاپیما‌ها و تلسکوپ‌های کنونی و آینده بررسی کرد. این مقاله نشان می‌دهد که درک فرآیند انتقال انرژی، برای حل کردن اسرار کلیدی کیهانی بسیار مهم است.

این پژوهش، در مجله «Science Advances» به چاپ رسید.