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今天我們看到的銀河系，是一個擁有著上千億顆恆星的巨大星系，在宇宙無數星系中，它的質量和規模也屬於鶴立雞群。
不過，不論是這幾千億顆恆星還是它周圍無數的行星，抑或是其他恆星死亡後形成的緻密星，說到底都是由彌散在銀河系內星際介質構成的分子云所形成的。
直到今天，銀河系內仍然遍佈著大量的星際介質，它們與恆星有著非常糾葛的關係。星際介質是恆星的營養來源，透過大量星際介質的坍縮，就會形成一顆顆照耀在宇宙中的恆星；當恆星死亡時，它們又會將大量的物質回饋到宇宙空間，這些物質又繼續孕育下一顆恆星，如此往復迴圈。
這就像是一個輪迴，星際介質和恆星互相成就對方，為對方孕育搖籃。而且，它們之間的關係，將會在未來產生深遠的影響。
因此，對於這些星際介質及其相關機制，科學家們始終非常關注。最近，海德堡大學天文學中心理論天體物理學研究所（ITA）的Christoph Federrath教授率領著他的團隊，利用計算機模擬了星際介質及其形成分子云的過程，以及湍流在這個過程中所起到的作用，或將幫助我們更好地理解這種輪迴過程。
近些年來的研究表明，星際介質並非完全均勻地在星際空間分佈，而是以一種類似於煙霧流動的湍流形式彌散。這種湍流不僅影響恆星的形成速率，同時影響著恆星能夠獲得多少質量。這個恆星質量決定了恆星的各個屬性，甚至還能夠影響周圍會有怎樣的行星形成，這當然也決定了行星是否能夠孕育生命，因此對它的研究至關重要。
和煙霧的湍流一樣，星際介質湍流中較大股的部分也會傾瀉成許多的小股。其中的不同之處在於，星際介質湍流的密度非常低，每立方厘米只有1-100個粒子。正是由於這個因素，星際介質的粘度也非常低，這就使得湍流能量可以級聯到更小的尺度。在這個過程中，湍流的速度也會出現梯度，從某些區域的超音速降低到附近的音速級別。
（圖片說明：本次研究的模擬過程截圖）
在這種情況下，主宰氣體雲的將不再是這些湍流，而是引力。而這個臨界值何時、以怎樣的方式出現，就決定了氣體雲中密度相對較高的核心的大小，而這個核心就會在未來形成恆星。
儘管科學家推測出了這樣的過程，但由於星際介質的複雜性，我們在看到一片星際介質湍流的時候，還是無法判斷它會在哪裡發生，這片區域的形狀及範圍如何。
來自海德堡大學的Rafl Klessen教授參與了本次研究，他介紹說：“這個物理過程中的複雜性超乎想象，它們之間的相互作用只能在計算機模擬的協助下才可以研究。”為此，他單獨領導著一個團隊，利用萊布尼茨超級計算中心的裝置進行了這次模擬。
（圖片說明：本次研究中模擬出銀河系內星際介質的一部分截圖，其湍流結構非常明顯，其中不同的顏色代表不同的密度）
研究人員在論文中指出，他們的這次模擬結果非常成功，與此前的理論非常匹配。透過模擬，他們不僅找到了從超音速到音速過渡的區域並且還成功地量化了其形狀和範圍。此外，他們發現二者之間的交界處並不那麼涇渭分明，而是在一個很大的尺度下過渡的。
令人興奮的是，在與銀河系內真實存在的氣體雲進行對比後，他們發現自己的模擬結果也確實非常符合，再一次印證了這次模擬的準確性。
（圖片說明：哈勃太空望遠鏡拍攝的船底座星雲，這裡的恆星風和大質量恆星的電離輻射導致了分子云中湍流的形成）
Klessen說：“從理論上講，這個過渡區決定了緻密核心在星際氣體雲中被發現的機率。於是我們將自己的預測結果和在銀河系氣體雲IC5146中的觀測相對比，得到了極高的一致性，這個結果非常令人興奮。”
在聽說了這項研究的成果後，加州大學伯克利分校天文學系的Christopher McKee和新澤西州普林斯頓高階研究所的James Stone也專門撰文表示：“恆星的形成是天體物理學中的核心，不僅導致了我們在宇宙中觀察到了多樣性的恆星，也（間接）促成了黑洞和行星的形成、重元素的出現，還透過輻射、恆星風以及超新星爆發促使星際介質能量增加，甚至影響了星系的形成。”
（圖片說明：這是位於小熊座的北極星耀斑，距離我們490光年，星際氣體和塵埃在這裡綿延數十光年，還有許多相互糾纏的絲狀結構，未來會形成恆星。本次研究的模擬結果與北極星耀斑進行了對比，匹配度非常高，驗證了模擬的準確性）
簡單來說，銀河系內絕大部分天體或者天體結構的形成，都有可能受到了這個天體物理學過程及其演化機制的影響。正是因為這個過程和驅動它的湍流如此重要，科學家們才孜孜不倦地對其進行研究。
而另一方面，由於這個過程過於複雜，遠遠超出了人類的計算能力範圍。因此，科學家只能透過計算機的模擬並將其與實際觀測相對比，才能解決這個問題。
憑藉著計算機的強大計算能力，他們終於實現了關於銀河系星際介質和湍流的迄今為止最嚴格、最詳細的模擬過程，並且取得了很大的成功，這對於未來科學家們理解銀河系內天體的形成至關重要。
可以肯定的是，未來超級計算機將會越來越多地加入到這種前沿的科學研究中來。因此，計算機的發展也就顯得至關重要，更強大的計算力能夠保證更精確的模擬結果。不僅僅是天文學，其他各個領域的科學理論發展，未來或都將寄希望於超級計算機的進步。
