Thiên hà xoắn ốc NGC 1300. Bấm để phóng to
Các nhà nghiên cứu đã khai thác sức mạnh của một trong những siêu máy tính nhanh nhất thế giới - Bộ mô phỏng Trái đất - để mô hình hóa sự phát triển của các thiên hà trong Vũ trụ sơ khai. Nhóm nghiên cứu đã mô phỏng quá trình ngay từ đầu, ngay sau Vụ nổ lớn, khi các khối khí kết hợp lại với nhau để tạo thành các ngôi sao sau đó hợp nhất thành các bộ sưu tập lớn hơn và lớn hơn, và cuối cùng trở thành các thiên hà. Họ phát hiện ra rằng các thiên hà như Dải Ngân hà có thể có cùng thành phần như bây giờ khi chúng chỉ tồn tại một tỷ năm sau Vụ nổ lớn.
Hai nhà thiên văn học đã thực hiện một trong những mô phỏng vật lý thiên văn lớn nhất thế giới cho đến nay để mô hình hóa sự phát triển của các thiên hà. Sử dụng siêu máy tính của Earth Earth Simulator, Nhật Bản, cũng được sử dụng để mô hình hóa khí hậu và mô phỏng hoạt động địa chấn, Masao Mori thuộc Đại học California ở Los Angeles và Masayuki Umemura tại Đại học Tsukuba đã tính toán cách các thiên hà phát triển chỉ sau 300 triệu năm sau vụ nổ lớn cho đến ngày nay. Kết quả cho thấy các thiên hà có thể đã phát triển nhanh hơn nhiều so với hiện tại (Nature 440 644).
Theo mô hình phân cấp của hệ thống phân cấp, các thiên hà được hình thành thông qua quá trình từ dưới lên bắt đầu bằng sự hình thành các khối khí nhỏ và các ngôi sao sau đó hợp nhất thành các hệ lớn hơn. Mori và Umemura đã mô phỏng quá trình này bằng cách sử dụng mã thủy động lực 3D mạnh mẽ kết hợp với mã tổng hợp quang phổ của mã hóa cho một plasma vật lý thiên văn để tính đến sự tiến hóa linh hoạt và hóa học của một thiên hà nguyên thủy. Mô phỏng mô phỏng Trái đất được thực hiện với độ phân giải cực cao dựa trên 1024 điểm lưới Lưới, làm cho nó trở thành một trong những tính toán lớn nhất từng được thực hiện trong vật lý thiên văn.
Mori và Masayuki đã thiết lập các điều kiện ban đầu trong mô phỏng của họ dựa trên vũ trụ vật chất tối lạnh, các thông số được xác định bằng các phép đo của nền vi sóng vũ trụ. Những quan sát này, lần đầu tiên được thực hiện vào năm 2003, cho thấy chúng ta đang sống trong một vũ trụ phẳng chỉ bao gồm 4% vật chất thông thường, 22% vật chất tối và 74% năng lượng tối - phù hợp với mô hình vũ trụ tiêu chuẩn. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã so sánh trực tiếp kết quả bằng số của họ với các quan sát các thiên hà nguyên thủy được gọi là các nguồn phát Lyman-alpha và thiên hà phá vỡ Lyman, mà các nhà thiên văn tìm thấy ở những nơi xa nhất và do đó lâu đời nhất của vũ trụ.
Kết quả cho thấy các bong bóng khí nguyên thủy hình thành trong vũ trụ sơ khai chỉ 300 triệu năm sau Vụ nổ lớn thực sự trông giống như các nguồn phát Lyman-alpha. Sau khoảng 1 tỷ năm, các mô phỏng cho thấy những thiên hà này biến đổi thành Lyman phá vỡ các thiên hà. Cuối cùng, sau 10 tỷ năm tiến hóa, các cấu trúc giống như các thiên hà hình elip ngày nay.
Mô phỏng cũng dự đoán hỗn hợp các nguyên tố hóa học trong thiên hà ở mỗi giai đoạn tiến hóa của nó và cho thấy Dải Ngân hà của chúng ta có thành phần gần giống như ngày nay khi nó mới chỉ 1 tỷ năm tuổi. Cho đến nay, các thiên hà được cho là đã phát triển dần dần và trở nên giàu có trong các nguyên tố nặng hơn ngoài hydro và heli trong khoảng thời gian 10 tỷ năm do sự hình thành sao lặp lại và vụ nổ siêu tân tinh.
Phát hiện của chúng tôi cho thấy sự hình thành thiên hà tiến triển nhanh hơn nhiều và một lượng lớn các nguyên tố nặng đã được tạo ra trong các thiên hà chỉ trong 1 tỷ năm, theo ông Mori.
Nguồn gốc: Viện Vật lý
