Được phát triển bởi một nhóm nhà nghiên cứu quốc tế, Lumina là một trong những mô hình mô phỏng vũ trụ sơ khai chi tiết nhất hiện nay. Nghiên cứu về mô hình này đã được công bố trên tạp chí khoa học Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Cấu trúc mạng lưới vũ trụ được mô phỏng. (Video: Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard và Smithsonian)
Lumina tập trung tái hiện cách những ngôi sao và lỗ đen đầu tiên góp phần thúc đẩy quá trình tái ion hóa, một giai đoạn quan trọng nhưng vẫn còn nhiều bí ẩn trong lịch sử vũ trụ.
Sau Vụ Nổ lớn, phần lớn vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng khí hydro trung hòa. Khi những nguồn sáng đầu tiên xuất hiện, bức xạ tia cực tím từ các ngôi sao và lỗ đen đã tách electron khỏi nguyên tử hydro. Quá trình này khiến khí hydro bị ion hóa, tạo điều kiện cho ánh sáng truyền đi xa hơn và làm thay đổi môi trường vũ trụ, qua đó ảnh hưởng đến quá trình hình thành và phát triển của các thiên hà.
Việc tìm hiểu giai đoạn này có ý nghĩa quan trọng, bởi nó giúp các nhà khoa học giải thích vũ trụ đã biến đổi như thế nào để trở thành thế giới mà chúng ta quan sát ngày nay.
Các kính viễn vọng có thể nhìn sâu vào quá khứ nhờ ánh sáng cần thời gian để di chuyển trong không gian. Khi quan sát những thiên hà ở khoảng cách rất xa, các nhà thiên văn học thực chất đang nhìn thấy hình ảnh của chúng từ hàng tỷ năm trước. Để hiểu được toàn bộ quá trình tiến hóa kéo dài hàng tỷ năm, chỉ dựa vào những quan sát này là chưa đủ. Các nhà khoa học cần những mô phỏng có khả năng tái hiện lịch sử vũ trụ trên quy mô tương đương.
Oliver Zier, tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Lý thuyết và Tính toán thuộc Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard & Smithsonian ở Cambridge, bang Massachusetts, cho biết điểm nổi bật của Lumina nằm ở quy mô đặc biệt lớn. Mô phỏng này bao phủ một vùng không gian rộng hơn 100 lần so với các mô hình trước đó.
Theo Zier, Lumina cho phép các nhà nghiên cứu quan sát đồng thời cấu trúc tổng thể của vũ trụ, nơi các thiên hà tập hợp thành từng cụm và tạo nên mạng lưới vũ trụ rộng lớn, cũng như phân tích từng thiên hà riêng lẻ với mức độ chi tiết cao.
Một giá trị quan trọng khác của Lumina là khả năng kiểm chứng các giả thuyết về quá trình tiến hóa của vũ trụ. Các nhà khoa học có thể đối chiếu những gì mô hình dự đoán với dữ liệu quan sát từ các kính viễn vọng, trong đó có James Webb.
Nếu kết quả mô phỏng phù hợp với những gì kính viễn vọng ghi nhận, điều đó sẽ củng cố độ tin cậy của các lý thuyết hiện có. Ngược lại, nếu xuất hiện những khác biệt, chúng cũng có thể mang lại những phát hiện đáng chú ý.
Zier cho rằng những kết quả không khớp đôi khi còn thú vị hơn, bởi chúng có thể chỉ ra những điểm mà mô hình chưa giải thích được, đồng thời mở ra khả năng phát hiện các quy luật vật lý mà con người chưa biết đến.
Lumina bao phủ một vùng không gian có kích thước khoảng 1,5 tỷ năm ánh sáng theo mỗi chiều. Để hình dung quy mô này, đường kính Dải Ngân hà chỉ vào khoảng 100.000 năm ánh sáng.
Việc xây dựng mô hình đòi hỏi nguồn lực tính toán khổng lồ. Nhóm nghiên cứu mất gần 3 năm để hoàn thành Lumina, sử dụng hơn 15.000 bộ xử lý đồ họa (GPU) trên siêu máy tính Frontier đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, bang Tennessee, Mỹ.
Dù chưa được phát hành đầy đủ cho công chúng, những video mô phỏng ban đầu đã cho thấy quy mô rộng lớn của vũ trụ. Người xem có thể phóng to để quan sát từng thiên hà, sau đó thu nhỏ để thấy chúng chỉ là những cấu trúc nhỏ bé giữa vô số thiên hà khác.
Zier nhấn mạnh rằng ngay cả một mô hình đồ sộ như Lumina cũng chỉ tái hiện được một phần rất nhỏ của vũ trụ. Trái Đất vốn có vẻ rộng lớn đối với con người, nhưng chỉ là một hành tinh trong Dải Ngân hà, trong khi chính thiên hà của chúng ta cũng chỉ là một trong vô số thiên hà tồn tại ngoài không gian.
Một điểm đáng chú ý là Lumina lần đầu tiên cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi tác động của những biến đổi trong cả khí hydro và heli – hai nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, trong cùng một mô phỏng. Điều này giúp họ có cái nhìn toàn diện hơn về cách môi trường vũ trụ sơ khai thay đổi theo thời gian.
Julian Munoz, trợ lý giáo sư thiên văn học tại Đại học Texas ở Austin, người không tham gia nghiên cứu, đánh giá Lumina là một thành tựu kỹ thuật đáng chú ý.
Ông cho biết việc mô phỏng quá trình hình thành những thiên hà đầu tiên và sự ion hóa của vũ trụ sơ khai đòi hỏi năng lực tính toán rất lớn. Các mô hình trước đây thường chỉ tập trung vào những vùng không gian tương đối nhỏ và một khoảng thời gian giới hạn. Lumina vượt qua những hạn chế này khi có thể khảo sát một vùng rộng lớn hơn và theo dõi quá trình tiến hóa của vũ trụ trong thời gian dài hơn.
Theo Munoz, vũ trụ sơ khai không phát triển đồng đều ở mọi nơi. Có những khu vực biến đổi nhanh hơn, trong khi những khu vực khác tiến hóa chậm hơn. Nhờ phạm vi bao phủ rộng, Lumina giúp các nhà khoa học theo dõi sự khác biệt giữa những vùng không gian này và tìm hiểu cách chúng thay đổi qua hàng tỷ năm.
Mô phỏng cũng có thể hỗ trợ nghiên cứu sự khác biệt trong chuyển động của vật chất thông thường và vật chất tối – hai thành phần quan trọng định hình cấu trúc vũ trụ.
Trong các mô hình về sự hình thành những thiên hà đầu tiên, giới khoa học thường tập trung vào ba yếu tố chính: vật chất thông thường, vật chất tối và bức xạ. Vật chất thông thường tạo nên các ngôi sao, hành tinh và mọi thứ mà con người có thể quan sát trực tiếp. Trong khi đó, vật chất tối là thành phần vô hình, chiếm phần lớn lượng vật chất trong vũ trụ.
Hai loại vật chất này không vận động hoàn toàn giống nhau. Vật chất thông thường tương tác với ánh sáng, còn vật chất tối thì không, khiến chúng chịu tác động khác nhau của bức xạ và di chuyển theo những cách riêng biệt.
Ngay từ giai đoạn đầu của lịch sử vũ trụ, sự khác biệt này đã góp phần tạo nên những cấu trúc trải dài hàng triệu năm ánh sáng. Dù không thể quan sát trực tiếp các mô hình vật chất này bằng kính viễn vọng, các nhà khoa học có thể tái hiện chúng thông qua mô phỏng máy tính. Nhờ đó, Lumina có thể giúp làm rõ cách chuyển động của vật chất thông thường và vật chất tối góp phần định hình vũ trụ.
