Từ thời xa xưa, các triết gia và học giả đã tìm cách xác định sự tồn tại bắt đầu như thế nào. Với sự ra đời của thiên văn học hiện đại, truyền thống này đã tiếp tục và làm phát sinh lĩnh vực được gọi là vũ trụ học. Và với sự trợ giúp của siêu máy tính, các nhà khoa học có thể tiến hành mô phỏng cho thấy các ngôi sao và thiên hà đầu tiên hình thành trong Vũ trụ của chúng ta và phát triển như thế nào trong hàng tỷ năm.
Cho đến gần đây, nghiên cứu sâu rộng và đầy đủ nhất là mô phỏng của Illust Illustrus, đã xem xét quá trình hình thành thiên hà trong suốt 13 tỷ năm qua. Tìm cách phá vỡ kỷ lục của chính họ, gần đây, nhóm nghiên cứu gần đây đã bắt đầu thực hiện một mô phỏng được biết đến như là Illust Illustris, Thế hệ tiếp theo, Hồi hoặc hay IllustrisTNG Hồi. Vòng đầu tiên của những phát hiện này đã được phát hành gần đây, và một số dự kiến nữa sẽ được theo dõi.
Những phát hiện này xuất hiện trong ba bài báo được công bố gần đây trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia. Nhóm Illustris bao gồm các nhà nghiên cứu từ Viện nghiên cứu lý thuyết Heidelberg, Viện vật lý thiên văn Max-Planck và Thiên văn học, Viện Công nghệ Massachusetts, Đại học Harvard và Trung tâm Vật lý thiên văn tính toán ở New York.
Sử dụng siêu máy tính Hazel Hen tại Trung tâm tính toán hiệu năng cao Stuttgart (HLRS) - một trong ba cơ sở siêu máy tính đẳng cấp thế giới của Đức bao gồm Trung tâm siêu máy tính Gauss (GCS) - nhóm đã thực hiện một mô phỏng sẽ giúp xác minh và mở rộng về kiến thức thực nghiệm hiện có về các giai đoạn sớm nhất của Vũ trụ - tức là những gì đã xảy ra từ 300.000 năm sau Vụ nổ lớn cho đến ngày nay.
Để tạo ra mô phỏng này, nhóm nghiên cứu đã kết hợp các phương trình (như Lý thuyết tương đối tổng quát) và dữ liệu từ các quan sát hiện đại thành một khối tính toán khổng lồ đại diện cho một mặt cắt ngang lớn của Vũ trụ. Đối với một số quá trình, chẳng hạn như sự hình thành sao và sự phát triển của các lỗ đen, các nhà nghiên cứu đã buộc phải dựa vào các giả định dựa trên các quan sát. Sau đó, họ sử dụng các mô hình số để thiết lập Vũ trụ mô phỏng này trong chuyển động.
So với mô phỏng trước đây của họ, IllustrisTNG bao gồm 3 vũ trụ khác nhau ở ba độ phân giải khác nhau - lớn nhất trong số đó đo được 1 tỷ năm ánh sáng (300 megapixel). Ngoài ra, nhóm nghiên cứu bao gồm kế toán chính xác hơn cho từ trường, do đó cải thiện độ chính xác. Tổng cộng, mô phỏng đã sử dụng 24.000 lõi trên siêu máy tính Hazel Hen trong tổng số 35 triệu giờ lõi.
Như Giáo sư Tiến sĩ Volker Springel, giáo sư và nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Lý thuyết Heidelberg và điều tra viên chính của dự án, đã giải thích trong thông cáo báo chí của Trung tâm Gauss:
Từ trường từ trường thú vị vì nhiều lý do. Áp suất từ tác động lên khí vũ trụ đôi khi có thể bằng áp suất nhiệt (nhiệt độ), nghĩa là nếu bạn bỏ qua điều này, bạn sẽ bỏ lỡ những hiệu ứng này và cuối cùng làm ảnh hưởng đến kết quả của bạn.
Một sự khác biệt lớn khác là sự bao gồm của vật lý lỗ đen được cập nhật dựa trên các chiến dịch quan sát gần đây. Điều này bao gồm bằng chứng chứng minh mối tương quan giữa các lỗ đen siêu lớn (SMBH) và sự tiến hóa của thiên hà. Về bản chất, SMBH được biết là phát ra một lượng năng lượng cực lớn dưới dạng các tia phóng xạ và hạt, có thể có tác dụng bắt giữ đối với sự hình thành sao trong thiên hà.
Mặc dù các nhà nghiên cứu chắc chắn nhận thức được quá trình này trong lần mô phỏng đầu tiên, họ không quan tâm đến việc làm thế nào nó có thể bắt giữ sự hình thành sao hoàn toàn. Bằng cách bao gồm dữ liệu cập nhật trên cả từ trường và vật lý lỗ đen trong mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã thấy mối tương quan lớn hơn giữa dữ liệu và quan sát. Do đó, họ tự tin hơn với kết quả và tin rằng nó đại diện cho mô phỏng chính xác nhất cho đến nay.
Nhưng như Tiến sĩ Dylan Nelson - một nhà vật lý thuộc Viện Thiên văn học Max Planck và là thành viên llustricTNG - giải thích, các mô phỏng trong tương lai có thể còn chính xác hơn, giả sử những tiến bộ trong siêu máy tính vẫn tiếp tục:
Bộ nhớ tăng tài nguyên và xử lý trong các hệ thống thế hệ tiếp theo sẽ cho phép chúng ta mô phỏng khối lượng lớn của vũ trụ với độ phân giải cao hơn. Khối lượng lớn rất quan trọng đối với vũ trụ học, hiểu được cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ và đưa ra dự đoán chắc chắn cho thế hệ tiếp theo của các dự án quan sát lớn. Độ phân giải cao rất quan trọng để cải thiện các mô hình vật lý của chúng ta về các quá trình đang diễn ra bên trong các thiên hà riêng lẻ trong mô phỏng của chúng ta.
Mô phỏng mới nhất này cũng được thực hiện nhờ sự hỗ trợ rộng rãi được cung cấp bởi đội ngũ nhân viên GCS, người đã hỗ trợ nhóm nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến mã hóa của họ. Đó cũng là kết quả của một nỗ lực hợp tác lớn đã tập hợp các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới và kết hợp chúng với các tài nguyên họ cần. Cuối cùng, nhưng không kém phần quan trọng, nó cho thấy sự hợp tác ngày càng tăng giữa nghiên cứu ứng dụng và nghiên cứu lý thuyết dẫn đến kết quả tốt hơn.
Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu hy vọng rằng kết quả của mô phỏng mới nhất này chứng tỏ thậm chí còn hữu ích hơn lần trước. Bản phát hành dữ liệu Illustris ban đầu đã thu được hơn 2.000 người dùng đã đăng ký và kết quả là xuất bản 130 nghiên cứu khoa học. Cho rằng điều này là chính xác và cập nhật hơn, nhóm nghiên cứu hy vọng rằng nó sẽ tìm thấy nhiều người dùng hơn và kết quả là nghiên cứu đột phá hơn nữa.
Ai biết? Có lẽ một ngày nào đó, chúng ta có thể tạo ra một mô phỏng nắm bắt sự hình thành và tiến hóa của Vũ trụ của chúng ta với độ chính xác hoàn toàn. Trong thời gian chờ đợi, hãy chắc chắn thưởng thức video này của Mô phỏng Illustris đầu tiên, với sự giúp đỡ của thành viên nhóm và nhà vật lý MIT Mark Vogelsberger:
