超级计算机模拟图

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)，导致脑细胞死亡并诱发帕金森氏症。这些模拟研究为研制新型预防聚合药物铺平了道路。

7.婴儿期宇宙图景

科学家借助超级计算机模拟出大爆炸后不久的宇宙图景。通过这张图，可以看到稠密的暗物质或普通物质处于波动状态之中。

　　这张宇宙模拟图显示的是诞生不久的宇宙早期图景，可谓正处于婴儿期。模拟图是由位于美国伊利诺伊州的阿贡国家实验室研发的宇宙模拟器绘制的。美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory，简称ANL)是美国政府最老和最大的科学与工程研究实验室之一，在高性能计算方面的实验和理论工作上有很强的实力。

　　宇宙模拟器是在阿贡国家实验室一台名为“尤里卡”(Eureka)的超级制图计算机上实现的。加州圣迭戈超级计算机中心也参与了这一项目。

　　据了解，这张婴儿期宇宙模拟图相当于为半径约10亿光年的宇宙空间构建了一个模型。完成这一模拟图共耗费了400万CPU小时。“CPU小时”指的是一种网格计算公共服务，且服务是“随用随买”的。分布式网格计算仅在数天之内就能完成通常花费数月时间的一份工作 。

　　宇宙大爆炸(Big Bang)是根据天文观测研究后得到的一种设想。按照大爆炸理论，宇宙是137亿年前从一个极小的点诞生的，从那里诞生了时间和空间、质量和能量，从而由物质小微粒聚集成大团的物质，最终形成星系、恒星和行星等。

8.类木行星形成的过程

利用超级计算机的计算和演示，天文学家们得出结论，一颗新的同木星性质相似的巨型行星的形成只需要几百年的时间，而不是以前认为的几百万年。



以前，大多数科学家都认为，在恒星形成初期，其外部包围着一圈碟状的宇宙残骸，这些宇宙残骸由宇宙尘埃和气体等物质组成，后来，经历了几百万年的时间，这圈碟状的宇宙残骸才逐渐形成了围绕恒星运转的行星。但是，《科学》杂志上，一份研究报告称，这些巨大的碟状宇宙残骸，在围绕恒星旋转不了几圈后就会分裂，而破裂后的物质开始迅速聚合在一起，并把气体牵引过去，从而形成了像木星那样外围围绕气体的巨大行星。

美国和加拿大科学家发现，类木行星的形成过程都会经历这样的早期阶段，否则，宇宙气体和尘埃就会被来自附近恒星的引力拉走并消散。

华盛顿大学的天文学家托马斯·奎因在接受电话采访中说：“这种理论也就是说，像木星这样巨大的气体行星，如果不能迅速形成，就不可能再形成了。”

最近关于太阳系以外类木行星的研究，也证实了这一理论。

9.解褐矮星身世之迷 疑为恒星碰撞产物

近日有天文学家发现，在年轻的恒星相互靠近的过程中，环绕在它们周围的气态圆盘会遭到破坏并由此孕育出一些拥有自在独立圆盘的褐矮星。

　　负责领导这项研究的詹姆斯·韦斯利教授指出：“或许，这正是导致褐矮星形成的主要方式。理论天文学家们当前面临的主要任务是尽快解释清楚褐矮星的形成过程和它们的种种特性－－在褐矮星的周围均存在着气态的圆盘状结构，同时，它们还会围绕着一颗普通的恒星不停旋转。”

　　与普通的恒星不同的是，褐矮星的质量都非常小－－通常不会超过太阳质量的8％。由于质量太小，其核心部分不会产生核聚变反应。

　　借助“共享分级学术研究计算机网”的强大计算能力，韦斯利教授等人成功构建出了反映那些带有气态圆盘的年轻恒星碰撞过程的计算机模型。演算显示，在这些恒星碰撞过程中会孕育出一些尺寸介于褐矮星和木星之间的小型天体－－在它们的周围均环绕着一条直径为18个天文单位的气态圆盘。这些快速旋转的圆盘随后可能演化为一股气流，甚至是围绕褐矮星旋转的行星。目前，这两种现象均已在实际的观测活动中获得证实。

　　韦斯利教授等人通过分析该计算机模型发现，这些在恒星周围形成的天体即有可能逐渐脱离恒星的束缚，也有可能停留在它的轨道上。天文学家们到目前为止已观测到三颗围绕着普通恒星旋转的褐矮星，并且它们的运行状况与通过计算机模型演算的结果非常吻合。不过，科学家们暂时还不清楚在宇宙中是否会经常发生年轻恒星碰撞的情况，以及当这些碰撞发生时是否会孕育出褐矮星。为此，韦斯利教授等人计划继续借助最新型的超级计算机来开展这项研究活动。