超級計算機模擬圖：相撞黑洞周圍時空扭曲

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據美國《探索》雜志報道，大自然很少為我們呈現容易處理的數字，從銀河係的數千億顆恒星到一個病毒內的數十萬個原子，我們便可見一斑。一直以來，科學家便試圖描繪這些復雜集合內每一個成員的特性和行為。隨著超級計算機的出現，我們在了解復雜實體係統方面經歷了革命性變化。

模擬程序要在房間大小的超級計算機上運行幾天，從無邊無際的宇宙到極小的物質要素，超級計算機模擬讓視覺形式達到此前無法想象的程度。類似這樣的模擬絕不僅僅是科學家的一種娛樂活動，同時更有助于他們進行方方面面的研究，例如研究藥物如何對抗甲流病毒，時空如何在相互碰撞的黑洞周圍發生扭曲。通過超級計算機進行的模擬，我們可以進一步發現這個世界的秘密以及它美麗的一面。

1.雙星

雙星

這幅圖片來自于一次超級計算機模擬，運行于美國能源部位于加利福尼亞州門洛帕克的國家加速器實驗室，展示了可能形成于宇宙初期質量相對較低的雙星，它們的形成時間距離大爆炸只有2億年。此前對原始宇宙進行的模擬顯示，最初形成的恒星主要是孤巨星，質量最高可達到太陽的300倍。此次模擬涉及由8×1052立方英裏(約合3×1062立方米)氣體和暗物質構成的宇宙區域。顏色較淡的區域密度更高，是兩顆正在發育中的低質量恒星所在地。

2.一顆將要走向死亡的衰老恒星

一顆將要走向死亡的衰老恒星

當一顆質量大約相當于10個太陽的衰老恒星即將耗盡容易熔化的輕元素，其尚未熔化的鐵心便會發生塌陷。恒星內部隨後像球面活塞一樣回彈並發生爆炸，最終變成一顆II型超新星。利用位于美國田納西州橡樹嶺國家實驗室領導計算設施的一臺超級計算機，天體物理學家展示了微中子在為撕裂恒星的衝擊波提供能量方面扮演著怎樣的關鍵角色。這幅模擬圖展示了一顆巨星核心物質的流體力學流動。棕褐色區域熵值更高或者說溫度更高，藍色和綠色區域的溫度則相對較低。

3.研究甲流病毒抗藥性

研究甲流病毒抗藥性

2009年春季，人們對H1N1甲型流感病毒的擔憂情緒不斷升級。在這種背景下，美國伊利諾伊州大學香檳分校和猶他州大學的研究人員獲得批準，利用奧斯汀德克薩斯高級計算中心的超級計算機對這種病毒進行研究。他們的目的是，就甲流病毒可能對達菲(圖片中部的白色分子)等藥物產生的抗藥性進行建模。

這些抗病毒藥物與一個被稱之為神經氨酸酶的表面蛋白結合在一起，甲流病毒就是利用這種表面蛋白感染宿主細胞。超級計算機連續兩周的計算結果顯示，與神經氨酸酶結合的地方主要帶負電荷(紅色)，周圍被帶正電荷的區域(紫色)環繞，一條狹窄的帶負電通道供藥物通過。這條運輸線一帶的蛋白質發生變異，能夠讓甲流病毒對藥物產生抗藥性，但這種病毒現在仍比較脆弱。

4.核聚變中的電子流動

核聚變中的電子流動

幾十年來，科學家便一直希望通過持續的核聚變反應產生清潔能源。太陽的巨大能量正是來自這種反應。在地球上，核聚變反應需要借助于可控的溫度大約在1.5億攝氏度的等離子體(帶電氣體)實現，這一溫度是太陽核心的10倍。在利用核聚變反應方面，最雄心勃勃的項目當屬目前正在法國建造的國際熱核聚變實驗堆(以下簡稱ITER)，耗資100億歐元。

最近進行的計算機模擬將ITER的甜甜圈形反應室幾何學結構與其能量巨大的等離子體約束磁場結合在一起，以幫助研究人員預測 ITER內部等離子體的行為。圖片中長長的纖維狀結構代表等離子體內穿過反應室的密集電子，紅色和橙色代表密集度更高的區域。由于可視宇宙有超過99%的區域由等離子體構成，類似這樣的模擬同樣有助于了解一係列天體物理學現象，其中包括恒星的產生以及形成宇宙射線的劇烈活動。

5.黑洞探戈

黑洞探戈

特大質量黑洞合並是宇宙中最為激烈並且尚未被觀測到的事件之一。這些質量相當于十億個太陽的怪物就潛伏在大型星係中心。正如圖片所展示的那樣，在上演一段螺旋舞之後，黑洞會在相互碰撞中合二為一。圖片中的彩帶代表不斷擴散的引力場，兩個灰球代表黑洞的事件視界。事件視界內的一切物體均無法逃脫黑洞的巨大吸力，即使光線也是如此。

根據愛因斯坦的廣義相對論，黑洞合並將產生劇烈的引力波，使時空產生漣漪。為了解如何觀測和識別引力波，科學家對美國宇航局位于加州莫菲特場的艾姆斯研究中心以及馬裏蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心運行的超級計算機模型進行了研究。模擬結果顯示，黑洞合並能夠產生巨大能量，將合並後形成的特大質量黑洞拋出所在星係。

6.揭開帕金森氏症背後分子謎團

揭開帕金森氏症背後分子謎團

帕金森氏症患者之所以出現肌肉顫動和僵硬是因為，正常情況下分泌用于協調運動的化學物質多巴胺的腦細胞死亡。殺死腦細胞的主要嫌犯是一種被稱之為α-突觸核蛋白的蛋白質分子。它們能夠聚成一串，形成長長的具有破壞性的纖維狀結構。但如何做到這一點仍舊是一個謎。

為了揭開這個謎團，美國加利福尼亞州大學聖地亞哥分校的科學家進行了超級計算機模擬，運行時間長達962757個處理器小時，以探究α-突觸核蛋白分子可能採取的每一種方式。模擬結果顯示，這種蛋白質聚合成環形結構，刺破細胞膜(圖片中綠色區域)，導致腦細胞死亡並誘發帕金森氏症。這些模擬研究為研制新型預防聚合藥物鋪平了道路。(秋淩)