HPC大显奇能 协助科学家发现超新星

一位目光敏锐的天文学家在其牛津大学同事的协助下，使用一台超级计算机和两部放置在世界两端的天文望远镜发现了一颗超新星，这次重大发现有望进一步加深我们对宇宙的了解。

媒体对首次发现这颗超新星的加利福尼亚州天文学家彼得.纳特进行了采访，纳特是美国劳伦斯.伯克利实验室的高级科学家兼加利福尼亚大学伯克利分校天文学系的兼职教授。

纳特解释说爆炸恒星的图像是被Palomar Transient Factory（简称PTF）使用48英寸的Samuel Oschin天文望远镜在加利福尼亚州的帕洛玛山捕捉到的。PTF每个夜晚都对天空进行扫描，然后将扫描数据发送到位于伯克利的国家能源研究科学计算中心进行分析。

通过对数据进行过滤发现了这颗超新星，目前这个被称作PTF 11kly的超新星还需要人类和设备的共同努力-这里所指的设备就是国家能源研究科学计算中心的Carver IBM iDataPlex系统。

Carver是国家能源研究科学计算中心的超级计算机梯队中相对低级的超级计算机，拥有400个计算节点，每个节点配置两个英特尔Nehalem四核处理器。当所有的3200个核心全部启动和运行时，Carver超级计算机的理论峰值性能可以达到每秒34万亿次。国家能源研究科学计算中心还拥有一台总计配置38128个皓龙计算核心的大规模并行 Cray XT4超级计算机Franklin，每秒的浮点计算能力为352万亿次，是Carver超级计算机浮点计算能力峰值的十倍。

国家能源研究科学计算中心拥有的大块头超级计算机Hopper性能则更加强大：这台Cray XE6超级计算机总计内置了153,216个计算核心，位列2010年11月公布的超级计算机世界500强排行榜的第五位，可持续浮点计算能力为每秒1.05千万亿次。

图示：安置在美国国家能源研究科学计算中心的Carver IBM iDataPlex超级计算机

尽管纳特和他的团队在需要时也会使用Hopper超级计算机，但Carver是发现PTF 11kly超新星所运行的超级计算机-Carver用于启动的核心数量非常少。日常PTF工作负载使用的Carver核心数量约为60个，但是纳特告诉我们说"晚上我们要做的工作比较反复，因为要分析捕捉的影像，因此一个晚上要使用大概120个核心"。

纳特表示"国家能源研究科学计算中心有这么多核心可用真是不错。我们要增加工作负载的话只需在一堆代码中改变其中一行即可，这样可以利用更多的处理器"。

PTF项目用来追踪超级新星的方法非常直接。由Samuel Oschin天文望远镜捕捉的图像和调研开始阶段的增强影像进行对比-如果有不同的话，在数据库中标出标识。

这听起来很简单，但是正如纳特所解释的"在图像上有大量老旧的痕迹，当然也会有一些新东西-可能是小行星，也可能是变星，偶尔的可能是超新星"。

纳特所说的“大量老痕迹”并不夸张。“每个晚上我们通过筛选通常会得到大约100万个可选对象，在这些可选对象中，只有大约几百个确实是真实存在的，在这几百个对象中，只有大约两个是让人有兴趣的超新星”。

PTF项目自从2008年启动以来发现了超过1000颗超新星，但是PTF 11kly并不是简单意义上的又一颗有趣的超新星，而是具有极高科学数据研究价值的超新星。

非同一般的超新星

首先，这是一颗Type 1a级别的超新星，特别引发天文学家的兴趣，因为这些超新星在上世纪九十年代被用来判断宇宙的演变是如何进行的，同时还用来寻找暗物质。不幸的是，在他们被用来帮助科学家来更好的了解宇宙演变的加速和暗物质之前，还需要了解更多有关 Type 1a超新星的信息，PTF 11kly就是这样一颗能提供绝佳数据的超新星。

Type 1a超新星被认为是白色星群的垂死挣扎，这种星群的规模大概是我们太阳的1.4倍。正如纳特对超新星演变的解释那样，白色星群“与来自同伴的物质依附在一起，当其规模足够大的时候，内部的温度就会让点燃碳元素，发生高热原子核反应式的爆炸”。

2002年由哈勃太空望远镜拍摄的PTF 11kly位置的影像显示了挨在一起的两颗红色巨物看起来的样子。如果这真的是哈勃太空望远镜像素的照片，那确实和纳特描述的情景非常吻合—红色巨物中的一个或者两个能提供导致PTF 11kly爆炸的诱因。

这种类型的超新星是非同一般的。纳特表示“我们知道这些白色星群都是非常古老的星星，由于我们看到他们存在于年轻的星系和古老的星系当中，那么所有其他类型的超新星我们就只能在非常年轻的星系里看到”。

PTP 11kly成为如此有价值的研究对象的另一个主要原因是它的爆炸离现在很近—在风车星系中只离我们大概2100万光年，比大家所知的Ursa Major和北斗七星中发现的M101还要近。这是自1986年以来所发现的距今最近的超新星，纳特强调说。这颗星受星尘的遮挡显得朦胧不清。“在此之前，你不得不追溯到1972,1937,和1572年才能找到更加靠近现在的Type 1a超新星”。

最后，PTF 11kly在首次爆炸后仅仅几个小时内就被发现了—哦，几个小时加上2100万光年，太惊人了。

走近人类

新生的超新星在强大的计算机和人类智慧的共同努力下，从浩瀚的PTF数据中脱颖而出。Carver超级计算机用来将100万个异动对象梳理为数百个候选对象的整个过滤过程是由加利福尼亚大学伯克利分校天文学系副教授乔希.布莱姆所开发的。

为了将布莱姆所创建的计算机运算法则层层展开，一大批专家会预先过滤一批异动数据，根据异动是否有价值来对每个异动的对象进行分类。然后布莱姆进行观测和研发出纳特称之为“推进决策树”的流程来对数百万的夜间异动对象进行筛选和分类为合理的数量。

在每次筛选万PTF数据后，剩下的几百种可能性被分配给一组“公民科学家”超新星搜寻者—是的，确实是人类—也就是大家所知的Galaxy Zoo team（被称之为星系动物园是指他们的规模非常小又非常忙碌），他们会盯着这些可能性并尝试捕捉真正的超新星。

纳特就是这些终极过滤者中的一员—他很幸运的在正确的时间站在了正确的地点。“星期三下午，加利福尼亚时间，当时我正在观测并且说‘好的，数据库，告诉我昨天晚上最好的那颗星是什么吧’，哦，它就在那儿，而不是在前一天晚上的数据里”。

图示：星期一（左图），无发现。星期二（中图），有可能。星期三（右图），超新星。

　　“起初我持完全的怀疑态度。我想这只是颗从银河中划过的小行星，但是之后我搜索了小行星数据库，确定不是，没有任何资料。这是因为它太黯淡了，我说‘好吧，这可能是颗新星’，是另一种类型的爆炸，但是对我们没太大价值。哦，不，好像也不对”。

之后纳特使用了一台功能不如Carver强大的超级计算机。“幸运的是，我刚好在网上和英国的马克.沙利文聊了会，他说‘哦，太阳现在正位于加纳利群岛。我们可以让他们采集这个物体的光谱来让我们知道是怎么回事’，就这样在我发现这颗新星的三个小时后，他们采集了光谱并证实这是一颗超新星”。

这不只是一颗普通的超新星，而是“非常年轻的Type 1a超新星”，西班牙拉帕玛的加纳利群岛上的利物浦望远镜通过其光谱中的强大硅元素线验证了这一点。

得到利物浦望远镜的证实后，沙利文用电子邮件向团队做出了快速的回应：“喔，太棒了”。

归功于PTF网络，如今这个“太棒了”的发现已经被全世界所共享。在12个小时内，PTF 11sky‘的Type 1a名称就得到了加利福尼亚州利克天文台和夏威夷岛凯克天文台的证实，全世界越来越多的望远镜都开始进行观测和收集数据。受益于美国国家航空和宇宙航行局的紧急请求，哈勃本周也开始进行观测。

“当你在爆炸和混合后第一时间就捕捉到它，你确实能看到爆炸后新星未燃尽的部分！”加利福尼亚大学圣克拉拉分校的安德鲁.和维尔激动的表示，并向全世界的天文学家展示着他的兴奋。他表示“尽管观测过数千个超新星，但这次的这颗是前所未有的”。

可能你甚至不需要一台望远镜就能看到PTF 11kly。“观测这颗爆炸星最佳的时间是在一周内北半球地区的黎明前夕”沙利文表示“你需要黑暗的天空和一个出色的双筒望远镜，虽然小型的天文望远镜可能有更好一些”。