超级计算机模拟图:黑洞合并产生巨大能量

 作者:施琏滓     |      日期:2019-07-01 08:02:02
北京时间3月16日消息,据美国《探索》杂志报道,大自然很少为我们呈现容易处理的数字,从银河系的数千亿颗恒星到一个病毒内的数十万个原子,我们便可见一斑一直以来,科学家便试图描绘这些复杂集合内每一个成员的特性和行为随着超级计算机的出现,我们在了解复杂实体系统方面经历了革命性变化   模拟程序要在房间大小的超级计算机上运行几天,从无边无际的宇宙到极小的物质要素,超级计算机模拟让视觉形式达到此前无法想象的程度类似这样的模拟绝不仅仅是科学家的一种娱乐活动,同时更有助于他们进行方方面面的研究,例如研究药物如何对抗甲流病毒,时空如何在相互碰撞的黑洞周围发生扭曲通过超级计算机进行的模拟,我们可以进一步发现这个世界的秘密以及它美丽的一面   1.双星   这幅图片来自于一次超级计算机模拟,运行于美国能源部位于加利福尼亚州门洛帕克的国家加速器实验室,展示了可能形成于宇宙初期质量相对较低的双星,它们的形成时间距离大爆炸只有2亿年此前对原始宇宙进行的模拟显示,最初形成的恒星主要是孤巨星,质量最高可达到太阳的300倍此次模拟涉及由 8×1052立方英里(约合3×1062立方米)气体和暗物质构成的宇宙区域颜色较淡的区域密度更高,是两颗正在发育中的低质量恒星所在地   2.一颗将要走向死亡的衰老恒星     当一颗质量大约相当于10个太阳的衰老恒星即将耗尽容易熔化的轻元素,其尚未熔化的铁心便会发生塌陷恒星内部随后像球面活塞一样回弹并发生爆炸,最终变成一颗II型超新星利用位于美国田纳西州橡树岭国家实验室领导计算设施的一台超级计算机,天体物理学家展示了微中子在为撕裂恒星的冲击波提供能量方面扮演着怎样的关键角色这幅模拟图展示了一颗巨星核心物质的流体力学流动棕褐色区域熵值更高或者说温度更高,蓝色和绿色区域的温度则相对较低   3.研究甲流病毒抗药性   2009年春季,人们对H1N1甲型流感病毒的担忧情绪不断升级在这种背景下,美国伊利诺伊州大学香槟分校和犹他州大学的研究人员获得批准,利用奥斯汀德克萨斯高级计算中心的超级计算机对这种病毒进行研究他们的目的是,就甲流病毒可能对达菲(图片中部的白色分子)等药物产生的抗药性进行建模   这些抗病毒药物与一个被称之为神经氨酸酶的表面蛋白结合在一起,甲流病毒就是利用这种表面蛋白感染宿主细胞超级计算机连续两周的计算结果显示,与神经氨酸酶结合的地方主要带负电荷(红色),周围被带正电荷的区域(紫色)环绕,一条狭窄的带负电通道供药物通过这条运输线一带的蛋白质发生变异,能够让甲流病毒对药物产生抗药性,但这种病毒现在仍比较脆弱   4.核聚变中的电子流动   几十年来,科学家便一直希望通过持续的核聚变反应产生清洁能源太阳的巨大能量正是来自这种反应在地球上,核聚变反应需要借助于可控的温度大约在 1.5亿摄氏度的等离子体(带电气体)实现,这一温度是太阳核心的10倍在利用核聚变反应方面,最雄心勃勃的项目当属目前正在法国建造的国际热核聚变实验堆(以下简称ITER),耗资100亿欧元   最近进行的计算机模拟将ITER的甜甜圈形反应室几何学结构与其能量巨大的等离子体约束磁场结合在一起,以帮助研究人员预测ITER内部等离子体的行为图片中长长的纤维状结构代表等离子体内穿过反应室的密集电子,红色和橙色代表密集度更高的区域由于可视宇宙有超过99%的区域由等离子体构成,类似这样的模拟同样有助于了解一系列天体物理学现象,其中包括恒星的产生以及形成宇宙射线的剧烈活动   5.黑洞探戈   特大质量黑洞合并是宇宙中最为激烈并且尚未被观测到的事件之一这些质量相当于十亿个太阳的怪物就潜伏在大型星系中心正如图片所展示的那样,在上演一段螺旋舞之后,黑洞会在相互碰撞中合二为一图片中的彩带代表不断扩散的引力场,两个灰球代表黑洞的事件视界事件视界内的一切物体均无法逃脱黑洞的巨大吸力,即使光线也是如此   根据爱因斯坦的广义相对论,黑洞合并将产生剧烈的引力波,使时空产生涟漪为了解如何观测和识别引力波,科学家对美国宇航局位于加州莫菲特场的艾姆斯研究中心以及马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心运行的超级计算机模型进行了研究模拟结果显示,黑洞合并能够产生巨大能量,将合并后形成的特大质量黑洞抛出所在星系   6.揭开帕金森氏症背后分子谜团   帕金森氏症患者之所以出现肌肉颤动和僵硬是因为,正常情况下分泌用于协调运动的化学物质多巴胺的脑细胞死亡杀死脑细胞的主要嫌犯是一种被称之为α-突触核蛋白的蛋白质分子它们能够聚成一串,形成长长的具有破坏性的纤维状结构但如何做到这一点仍旧是一个谜   为了揭开这个谜团,美国加利福尼亚州大学圣地亚哥分校的科学家进行了超级计算机模拟,运行时间长达962757个处理器小时,以探究α-突触核蛋白分子可能采取的每一种方式模拟结果显示,这种蛋白质聚合成环形结构,刺破细胞膜(图片中绿色区域),