Công bố mô hình chi tiết nhất từ trước đến nay về vũ trụ sơ khai

Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí khoa học Monthly Notices of the Royal Astronomical Society đã giới thiệu mô phỏng Lumina, cho phép các nhà thiên văn học khảo sát đồng thời cấu trúc vũ trụ trên quy mô rộng lớn và sự phát triển của từng thiên hà. Trong khi các kính thiên văn hiện đại, như Kính thiên văn không gian James Webb của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA), giúp quan sát những thiên hà hình thành từ hàng tỷ năm trước, các mô phỏng siêu máy tính đóng vai trò bổ sung, tái hiện những quá trình vật lý không thể theo dõi trực tiếp bằng thiết bị quan sát.

Lumina tập trung vào giai đoạn tái ion hóa, một trong những thời kỳ quan trọng nhưng vẫn còn nhiều bí ẩn trong lịch sử vũ trụ. Sau Vụ nổ Lớn (Big Bang), bức xạ cực tím từ những ngôi sao và các nguồn phát sáng đầu tiên, trong đó có những nguồn liên quan đến lỗ đen, đã tách electron khỏi các nguyên tử hydro, nguyên tố phổ biến nhất trong không gian. Quá trình này làm thay đổi trạng thái của khí trong vũ trụ, tạo điều kiện để ánh sáng truyền đi xa hơn và tác động đến sự hình thành, phát triển của các thiên hà.

Theo nhóm nghiên cứu, việc tái hiện quá trình trên trong một mô hình có quy mô đủ lớn là điều cần thiết để tìm hiểu sự tiến hóa của vũ trụ từ những giai đoạn đầu tiên. Ông Oliver Zier, tác giả chính của nghiên cứu, hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Viện Lý thuyết và Tính toán thuộc Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard & Smithsonian (Mỹ), cho biết ưu điểm nổi bật của Lumina là khả năng mô phỏng một vùng không gian lớn hơn hơn 100 lần so với các mô hình trước đây.

Mô phỏng bao phủ một khu vực có kích thước khoảng 1,5 tỷ năm ánh sáng theo mỗi chiều. Để so sánh, đường kính của thiên hà Ngân Hà vào khoảng 100.000 năm ánh sáng. Nhờ quy mô này, các nhà khoa học có thể quan sát cấu trúc mạng lưới vũ trụ, thể hiện sự phân bố và tập trung của các thiên hà, đồng thời nghiên cứu chi tiết từng thiên hà riêng lẻ.

Để xây dựng Lumina, nhóm nghiên cứu đã mất gần ba năm và sử dụng hơn 15.000 bộ xử lý đồ họa (GPU) trên Frontier, siêu máy tính đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, bang Tennessee của Mỹ. Dù chưa được công bố đầy đủ cho công chúng, những đoạn video giới thiệu Lumina cho thấy khả năng phóng to các thiên hà riêng lẻ rồi thu nhỏ để quan sát cấu trúc không gian rộng lớn bao quanh. Tuy nhiên, ông Zier lưu ý rằng, mặc dù có quy mô rất lớn, Lumina vẫn chỉ tái hiện một phần nhỏ của toàn bộ vũ trụ.

Một điểm mới quan trọng khác là mô phỏng cho phép nghiên cứu đồng thời sự biến đổi trạng thái ion hóa của hydro và heli, hai nguyên tố phổ biến nhất trong không gian. Trước đây, những mô hình chi tiết về quá trình hình thành thiên hà và tái ion hóa thường bị giới hạn về kích thước vùng không gian hoặc khoảng thời gian được mô phỏng do yêu cầu tính toán rất lớn.

Phó giáo sư thiên văn học Julian Muñoz thuộc Đại học Texas tại Austin, người không tham gia nghiên cứu, đánh giá Lumina là một thành tựu kỹ thuật đáng chú ý, không chỉ bao phủ vùng không gian lớn hơn mà còn theo dõi quá trình tiến hóa trong khoảng thời gian dài hơn so với những mô phỏng chi tiết cùng loại trước đây.

Các nhà khoa học cho biết vũ trụ sơ khai không phát triển đồng đều. Một số khu vực hình thành cấu trúc và biến đổi nhanh hơn những khu vực khác. Nhờ phạm vi mô phỏng rộng lớn, Lumina có thể giúp nghiên cứu sự khác biệt này, đồng thời khảo sát những thiên hà hiếm gặp mà các mô hình quy mô nhỏ có thể bỏ sót.

Một hướng nghiên cứu quan trọng khác là sự tương tác giữa vật chất thông thường, vật chất tối và bức xạ. Vật chất thông thường cấu tạo nên các ngôi sao, hành tinh và con người, trong khi vật chất tối là thành phần không thể quan sát trực tiếp bằng ánh sáng nhưng được cho là chiếm phần lớn tổng lượng vật chất trong vũ trụ. Do vật chất thông thường tương tác với ánh sáng còn vật chất tối thì không tương tác theo cách tương tự, hai thành phần này có thể chuyển động với tốc độ khác nhau trong những giai đoạn đầu của vũ trụ.

Mặc dù các dấu vết này khó được quan sát trực tiếp bằng kính thiên văn, những mô hình như Lumina có thể tái hiện và lập bản đồ sự biến đổi, qua đó hỗ trợ nghiên cứu vai trò của các thành phần vật chất trong quá trình hình thành cấu trúc vũ trụ. Ngoài việc tái hiện lịch sử vũ trụ, Lumina còn cung cấp công cụ để kiểm tra các giả thuyết khoa học. Nhóm nghiên cứu có thể đối chiếu kết quả mô phỏng với dữ liệu quan sát từ Kính thiên văn không gian James Webb và những thiết bị thiên văn khác. Nếu kết quả phù hợp, các nhà khoa học sẽ có thêm cơ sở củng cố những mô hình lý thuyết hiện có. Ngược lại, sự khác biệt giữa mô phỏng và quan sát có thể chỉ ra những yếu tố vật lý chưa được hiểu đầy đủ.