Giả lập vũ trụ lớn nhất từ trước đến nay

Bức ảnh tĩnh từ mô phỏng cho thấy một cụm thiên hà đang hợp nhất. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne.

Tháng 11 vừa qua, tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, bang Tennessee, Mỹ, các nhà khoa học đã thực hiện thành công mô phỏng vật lý thiên văn quy mô lớn nhất từ trước đến nay về Vũ trụ.

Các nhà vật lý đã huy động sức mạnh tính toán của 9.000 nút trên siêu máy tính Frontier để mô phỏng một khối vũ trụ khổng lồ đang giãn nở, với thể tích lên đến hơn 31 tỷ megaparsec khối.

Đây là một con số khó ai có thể tưởng tượng được bởi một đơn vị megaparsec tương đương với 3,2 triệu năm ánh sáng,

Kết quả của dự án, được các nhà khoa học gọi là “ExaSky”, hứa hẹn sẽ mang đến những hiểu biết sâu sắc về sự tiến hóa của Vũ trụ và các quy luật vật lý chi phối nó, đồng thời giúp các nhà khoa học khám phá thêm về bản chất bí ẩn của vật chất tối.

"Vũ trụ được cấu thành từ hai loại vật chất: vật chất tối, chỉ tương tác qua lực hấp dẫn, và vật chất thông thường, bao gồm tất cả nguyên tử tạo nên mọi vật xung quanh ta", nhà vật lý Salman Habib của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, người đứng đầu dự án, giải thích.

Ảnh chụp mô phỏng cho thấy một thể tích nhỏ của không gian mô phỏng có thể tích 311.296 megaparsec khối (bên trái) và một vùng phóng to của thể tích đó (bên phải). Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne.

"Để hiểu rõ các quá trình diễn ra trong Vũ trụ, chúng ta cần mô phỏng cả tác động của trọng lực và các quá trình vật lý khác như sự chuyển động của khí nóng, sự hình thành sao, lỗ đen và thiên hà", ông tiếp tục.

Để khám phá lịch sử hình thành và phát triển của vũ trụ, các nhà thiên văn học đã tận dụng ánh sáng từ các thiên thể xa xôi. Bằng cách quan sát ánh sáng này, họ có thể xây dựng một bức tranh toàn cảnh về quá khứ của vũ trụ.

Tuy nhiên, do những thay đổi trong vũ trụ diễn ra trên quy mô thời gian quá lớn, con người chỉ có thể quan sát chúng qua phương pháp mô phỏng.

Bằng cách điều chỉnh các thông số và tăng tốc thời gian trong máy tính, họ có thể tái hiện và phân tích những hiện tượng vũ trụ phức tạp.

Dù vậy, việc mô phỏng vũ trụ là một nhiệm vụ khó khăn. Ngay cả với những công cụ hiện đại nhất, họ vẫn phải đưa ra những giả định để đơn giản hóa mô hình. Các mô phỏng trước ExaSky đã phải bỏ qua nhiều rất nhiều yếu tố quan trọng.

"Khi mô phỏng một vùng vũ trụ rộng lớn tương tự như những gì Kính viễn vọng Rubin quan sát được, chúng ta đang tái hiện lại hàng tỷ năm giãn nở của vũ trụ. Trước đây, việc thực hiện mô phỏng quy mô lớn như vậy là điều gần như bất khả thi" ông Habib cho hay.

Phải mất nhiều năm để các nhà khoa học tinh chỉnh và hoàn thiện các công cụ phần mềm, bao gồm cả thuật toán và mã nguồn, nhằm thực hiện được những mô phỏng vũ trụ học phức tạp như ExaSky.

Nhờ những nâng cấp khiến siêu máy tính Frontier trở thành máy tính mạnh nhất thế giới vào thời điểm đó, nhóm nghiên cứu đã có thể mở rộng quy mô mô phỏng để tái hiện quá trình giãn nở của Vũ trụ.

Phải mất một thời gian nữa để các nhà nghiên cứu phân tích toàn bộ dữ liệu từ mô phỏng, nhưng họ đã công bố một đoạn video ngắn để giới thiệu những kết quả ban đầu. Đoạn video này cho thấy một hình ảnh ấn tượng về quá trình hợp nhất của một cụm thiên hà khổng lồ trong một không gian rộng lớn lên đến 311.296 megaparsec khối.

“Khối lượng này chỉ chiếm 0,001% tổng khối lượng dữ liệu của mô phỏng, phần dữ liệu mà chúng tôi đã phân tích ban đầu đã cho thấy những kết quả rất ấn tượng. Chúng tôi kỳ vọng sẽ khám phá ra nhiều điều thú vị hơn nữa”, nhà vật lý thiên văn Bronson Messer của Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge nhận định.