摘要：尽管湍流是一种普遍存在的现象，但它仍然是物理学中一个主要的未解之谜。多年来，专家们一直试图了解湍流能量是如何在不同尺度上运动的。

湍流无处不在 —— 从咖啡杯到海浪和颠簸的飞行。

这种强大的状态并不局限于地球；它的影响遍及整个星系和宇宙。

尽管湍流是一种普遍存在的现象，但它仍然是物理学中一个主要的未解之谜。多年来，专家们一直试图了解湍流能量是如何在不同尺度上运动的。

现在，由普林斯顿大学和多伦多大学领导的一个国际研究小组非常清晰地观察到了这一过程。

他们共同开发了所谓的“世界上最大的磁化湍流模拟”。

在这项新工作中，模拟的规模需要相当于同时运行14万台计算机的计算能力。

普林斯顿大学天体物理科学系的博士后研究员詹姆斯·比蒂说：“从长远来看，如果我们在人类第一次驯养动物的时候就在一台笔记本电脑上开始模拟，那么现在就已经完成了。”

“幸运的是，利用莱布尼茨超级计算中心的惊人资源，我们可以将工作量分配到数千台计算机上，以加速计算，”詹姆斯·比蒂补充道。

银河系型湍流

模拟以星系型湍流为中心，探索星际介质中的无序运动 —— 本质上，星际介质是填充我们银河系恒星之间广阔空间的物质。

通过非常详细的星系湍流模拟，研究人员发现了与长期存在的天体物理模型的显著差异。

他们发现，磁场对能量如何在宇宙空间级联产生强大的影响。

具体来说，模拟表明，星际介质中的磁场减少了小规模的湍流运动，同时放大了称为“阿尔文波（Alfvén waves）”的特定波状现象。

这些发现可以让我们深入了解银河系的湍流结构、高能粒子的运动，甚至恒星是如何在湍流环境中诞生的。

根据美国宇航局的说法，在银河系巨大的分子云中，大规模的湍流对于恒星的形成至关重要。

比蒂补充说：“我们的梦想是发现宇宙中湍流的普遍特征，我们将继续推动下一代模拟的极限，以测试这一想法。”

使用超级计算机

目前，还不存在一个完整的数学方法来预测能量如何从大尺度转移到小尺度（在海洋、大气或太空中）。

由于磁场的存在，空间能量传递建模更具挑战性，需要大量的计算资源。

这就是为什么该团队利用德国莱布尼茨中心的超级计算机的计算能力。它使研究人员能够将数千年的计算压缩到一个可控的时间框架内。

据报道，该模型生成了一个巨大的虚拟立方体，每边跨越10080个单位。这代表了有史以来最大的磁化湍流模拟，使研究人员能够在比以前更大的范围内研究现象。

这项研究的意义远远超出了理论天体物理学。为了安全的太空旅行，更好地掌握湍流和高能粒子的产生具有实际意义。

近年来，商业航天发展势头强劲。

因此，太空天气预报对于在地球保护范围之外冒险的设备和人类生命的安全变得非常重要。

新论文的合著者阿米塔瓦·巴塔查尔吉（Amitava Bhattacharjee）说：“这项研究对预测和监测太空天气有意义，可以更好地了解卫星周围的等离子体环境和未来的太空任务，以及高能粒子的加速，这些粒子会破坏一切，并可能危及太空中的人类。”

这项研究发表在《自然天文学》杂志上。

来源：知新了了一点号