作者:叶孤城 来源:腾讯科技 发布时间:2010-3-15 15:41:51
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盘点具有代表性的6个超级计算机模拟实验
 
据美国《探索》杂志报道,一些天文现象、物理反应以及药物原理通过超级计算机模拟不仅解开了科学家的谜团,也呈现出绚丽的色彩。比如:银河系内数千亿颗恒星、一个病毒中数十万个独立原子。以下是具有代表性的6个超级计算机模拟实验,帮助研究人员如何研制药物抵御流感病毒、黑洞出现“探戈”舞蹈式碰撞形成的时空扭曲。
 
1、低质量双恒星
 

如图所示,这张图像是美国国家能源部SLAC国家加速装置实验室的超级计算机模型图,图中的低质量双恒星形成于宇宙早期,可能仅形成于宇宙大爆炸后2亿年。
 
这张模拟图包含着12.8×10^52立方公里的气体和暗物质弥漫于太空中,色彩轻淡的区域是宇宙物质高密区。
 
2、核聚变反应
 

数十年以来,科学家一直致力于研究太阳提供能量的持续性核聚变反应产生洁净能源,在地球上这一方案需要使用1.5亿摄氏度的人工等离子体(带电气体),这一温度是太阳内核的10倍。目前,斥资1000亿欧元的国际高热原子核实验反应堆(ITER)正在法国建造。
 
近期,计算机模拟实验结合国际高热原子核实验反应堆的炸面圈状反应舱以及高功率限制等离子体的磁场,该实验可以帮助研究人员预测机械装置内骚动等离子体的运动状况。该装置较长纤维中呈现等离子体中浓密电子流过反应舱,这些高密度电子呈现红色和橙色。由于等离子占宇宙99%可见区域,像这样的超级计算机模拟可以洞察较广范围的天体物理学现象,其中包括形成宇宙射线的恒星形成和宇宙活动事件。
 
3、“黑洞探戈”
 

迄今科学家在宇宙中未探测到的强大宇宙活动事件包含超大质量黑洞的合并过程,如图所示,这是科学家通过超级计算机模拟的黑洞合并过程,看上去颇似两个黑洞在一起跳探戈舞。
 
黑洞的质量相当于数十亿颗太阳,通常黑洞位于大型星系中心位置,当两个星系发生碰撞,黑洞经过螺旋形的“探戈舞蹈”便能结合在一起。图中彩色带状结构是延伸的重力场,而灰色球体是黑洞的边界,在黑洞边界区域甚至是光线也无法从中逃脱。
 
艾伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论预测黑洞合并应当释放强烈的重力波,在时空中产生涟漪。目前科学家通过超级计算机模型正在研究如何探测和识别重力波,他们的实验地点位于美国宇航局两个基地,分别是加利福尼亚州艾梅斯研究中心和马里兰州戈达德太空飞行中心。
 
4、闪烁,闪烁……超新星爆炸
 

如图所示,这是质量是太阳10倍的衰老恒星步入死亡阶段的模拟图,这颗衰老恒星正在耗尽光芒,逐渐熔化恒星物质,处于熔化状态的铁质内核逐渐崩溃。这颗恒星内部将像一个球形活塞发生反弹,以II类型超新星形式爆炸。
 
天体物理学家使用田纳西州橡木脊国家实验室的先进超级计算机进行了图像模拟,图像显示至关重要的中微子对撕裂恒星的冲击波提供能量,模拟图像显示流动状态的宇宙物质位于这颗巨大恒星内核。图中黄褐色区域是高热量区,蓝色和绿色是相对冷却的物质。
 
5、检测H1N1病毒
 

2009年春季,H1N1病毒在全球范围内泛滥,人们对这种病毒产生恐惧感,美国伊利诺斯州立大学和犹他州立大学的研究人员授权在德州高级计算中心进行H1N1病毒超级计算机模拟实验,他们的实验目标是测试H1N1病毒对泰米弗氯(Tamiflu)是否产生抵抗性,泰米弗氟药物是图像中心位置的白色颗粒。
 
这种抗病毒物质结合在一种叫做神经氨酸苷酶(neuraminidase)的表面蛋白质上,神经氨酸苷酶能够感染宿主细胞。所谓“H1N1”是病毒名称的缩写,其中H指的是血球凝集素(Hemagglutinin)、而N指的是神经氨酸酶(Neuraminidase),两种都是病毒上的抗原名称。
 
超级计算机为期两周的模拟显示,神经氨酸酶结合的红色区域呈现阴性,神经氨酸酶周围的紫色区域呈现阳性,泰米弗氯施加在蛋白质的狭窄路径呈现阴性,沿着药物施用路径将产生变异,使H1N1病毒对药物产生抗性。
 
6、揭示帕金森氏症神秘分子
 

帕金森氏患者十分痛苦,由于这种病症会杀死控制协调移动的化学多巴胺的大脑细胞,患者将遭受肌肉震颤和僵硬。科学家最初认为一种叫做阿尔法核素的蛋白质分子能够形成束状,具有破坏性的纤维物质,然而其具体的形成过程尚不清楚。
 
为了进行深入调查,美国加利福尼亚州立大学圣地亚哥分校科学家962757个小时运行超级计算机,勘测能够形成的阿尔法核素分子。这项模拟显示阿尔法核素分子可以在大脑细胞膜上穿孔(图像中绿色区域)聚集形成环状结构,从而导致大脑细胞死亡,引发帕金森氏症。这些模拟研究有助于研发新一代预防疾病药物。
 
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