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超级计算机模拟实验:核聚变反应和黑洞探戈

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。

超级计算机模拟实验:核聚变反应和黑洞探戈

低质量双恒星

超级计算机模拟实验:核聚变反应和黑洞探戈

核聚变反应

超级计算机模拟实验:核聚变反应和黑洞探戈

“黑洞探戈”

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。

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