Có một trò đùa cũ giữa các sinh viên thiên văn học về một câu hỏi trong bài kiểm tra cuối kỳ của lớp vũ trụ học. Nó trông như thế này: “Mô tả vũ trụ và đưa ra ba ví dụ.” Chà, một nhóm các nhà nghiên cứu ở Đức, Hoa Kỳ và Vương quốc Anh đã có một bước tiến vượt bậc trong việc đưa ra ít nhất một ví dụ chính xác về vũ trụ trông như thế nào.

Để làm được điều này, họ đã sử dụng một tập hợp các mô phỏng có tên là “MillenniumTNG”. Nó theo dõi sự tích lũy thiên hà và cấu trúc vũ trụ theo thời gian. Nó cũng cung cấp một cái nhìn mới về mô hình vũ trụ tiêu chuẩn của vũ trụ. Đây là mô phỏng vũ trụ mới nhất và nó tham gia vào những nỗ lực đầy tham vọng như dự án AbacusSummit hai năm trước.

Dự án mô phỏng này tính đến càng nhiều khía cạnh của quá trình tiến hóa vũ trụ càng tốt. Nó sử dụng các mô phỏng của vật chất thông thường (baryonic) (là những gì chúng ta thấy trong vũ trụ). Nó cũng bao gồm vật chất tối, neutrino và năng lượng tối mà cơ chế hình thành vũ trụ vẫn chưa được biết rõ. Đây là một yêu cầu dài.

mô phỏng vũ trụ

Hơn 120.000 trung tâm máy tính tại SuperMUC-NG ở Đức đã làm việc với dữ liệu cho MillenniumTNG. Tiếp theo đó là sự hình thành của khoảng một trăm triệu thiên hà trong một vùng không gian có đường kính khoảng 2.400 triệu năm ánh sáng. Sau đó, Cosma8 ở Durham bắt đầu tính toán một vũ trụ lớn hơn kích thước nhưng chứa đầy một nghìn tỷ hạt vật chất tối mô phỏng và 10 tỷ hạt khác theo dõi hoạt động của neutrino khối lượng lớn.

Kết quả của số lượng các cuộc khủng hoảng này là một khu vực mô phỏng của vũ trụ phản ánh thành phần và sự phân bố của các thiên hà. Kích thước đủ lớn để các nhà vũ trụ học có thể sử dụng nó để ngoại suy các giả định về toàn bộ vũ trụ và lịch sử của nó. Họ cũng có thể sử dụng nó để tìm kiếm các “vết nứt” trong mô hình vũ trụ tiêu chuẩn của vũ trụ.

Mô hình vũ trụ học và dự đoán

Các nhà vũ trụ học có mô hình cơ bản này mà họ đề xuất để giải thích sự tiến hóa của vũ trụ. Nó diễn ra như thế này: vũ trụ có các loại vật chất khác nhau. Có vật chất baryon bình thường, là thứ tạo nên tất cả chúng ta, các ngôi sao, hành tinh và thiên hà. Nó chỉ chiếm dưới 5% “thứ” của vũ trụ. Phần còn lại là vật chất tối và năng lượng tối.

Cộng đồng vũ trụ học gọi tập hợp các điều kiện vũ trụ kỳ lạ này là mô hình “vật chất tối Lambda lạnh” (viết tắt là LCDM). Nó thực sự mô tả vũ trụ rất tốt. Tuy nhiên, có một số mâu thuẫn. Đây là những gì mô phỏng sẽ giúp giải quyết. Mô hình này dựa trên dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả bức xạ vi sóng vũ trụ đến “mạng vũ trụ”, nơi các thiên hà được sắp xếp dọc theo một mạng phức tạp gồm các sợi vật chất tối.

Vẫn còn thiếu một sự hiểu biết tốt về vật chất tối chính xác là gì. Và đối với năng lượng tối, đó là một thách thức. Và các nhà vật lý thiên văn và vũ trụ học đang tìm cách hiểu rõ hơn về LCDM và sự tồn tại của hai ẩn số lớn. Điều đó đòi hỏi rất nhiều quan sát mới nhạy cảm từ các nhà thiên văn học. Mặt khác, họ cũng cần những dự đoán chi tiết hơn về những gì mô hình LCDM thực sự đề xuất. Đó là một thách thức lớn và là động lực thúc đẩy các mô phỏng lớn của MillenniumTNG. Nếu các nhà vũ trụ học có thể mô phỏng thành công vũ trụ, họ có thể sử dụng những mô phỏng đó để giúp hiểu điều gì đang xảy ra “trong đời thực”. Điều này bao gồm các đặc tính của các thiên hà trong cả vũ trụ hiện đại và rất sớm.

Hiểu và dự đoán xu hướng của các thiên hà trong vũ trụ bằng MillenniumTNG

Các mô phỏng MillenniumTNG tuân theo các dự án mô phỏng trước đó có tên là “Millennium” và “IllustrisTNG”. Nhóm mới hơn này cung cấp một công cụ để chỉ ra một số lỗ hổng trong hiểu biết của họ về những thứ như sự tiến hóa và hình dạng (hoặc hình thái học) của thiên hà.

Các nhà thiên văn học từ lâu đã biết về một thứ gọi là “sự liên kết thiên hà nội tại”. Về cơ bản, đây là xu hướng các thiên hà định hướng hình dạng của chúng theo những hướng giống nhau, vì những lý do không ai hiểu đầy đủ.

Hóa ra thấu kính hấp dẫn yếu ảnh hưởng đến cách chúng ta nhìn thấy sự liên kết của thiên hà. Mô phỏng MillenniumTNG có thể cho phép các nhà thiên văn học đo lường sự sắp xếp như vậy trong “thế giới thực” bằng cách sử dụng sự sắp xếp mô phỏng. Theo thành viên nhóm Ana Maria Delgado, đây là một bước tiến lớn. “Có lẽ xác định của chúng tôi về sự liên kết nội tại của các hướng thiên hà có thể giúp giải quyết sự khác biệt hiện tại giữa biên độ của vật chất cụm được suy ra từ thấu kính yếu và nền vi sóng vũ trụ,” cô nói.

âm thanh quá khứ

Cũng như các lĩnh vực vũ trụ học khác, nhóm MillenniumTNG đang kiểm tra vũ trụ rất trẻ thông qua các mô phỏng. Đây là thời điểm sau kỷ nguyên tái ion hóa khi những ngôi sao đầu tiên đã tỏa sáng rực rỡ và những thiên hà đầu tiên phát triển. Một số trong những thiên hà sơ khai đó rất lớn, dường như nằm ngoài bối cảnh của vũ trụ trẻ. Chúng đã được Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) nhìn thấy và câu hỏi vẫn là: Làm thế nào chúng trở nên nặng như vậy trong một thời gian ngắn như vậy sau Vụ nổ lớn?

Mô phỏng MillenniumTNG dường như tái tạo xu hướng này của một số thiên hà sơ khai phát triển theo cấp số nhân trong một thời gian ngắn. Thông thường, đây sẽ là khoảng 500 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Vì vậy, tại sao những thiên hà rất lớn? Nhà thiên văn học Rahul Kannan đưa ra một vài ý kiến ​​để giải thích điều này. Ông giải thích: “Có lẽ sự hình thành sao hiệu quả hơn ngay sau Vụ nổ lớn so với thời gian sau đó, hoặc các ngôi sao khối lượng lớn có thể đã hình thành với tốc độ cao hơn vào thời điểm đó, khiến những thiên hà này sáng bất thường.

Bây giờ JWST đang xem xét những thời điểm sớm hơn trong lịch sử vũ trụ, sẽ rất thú vị để xem liệu các mô phỏng có dự đoán được những gì nó tìm thấy hay không. Keenan gợi ý rằng có thể có sự rạn nứt giữa vũ trụ thực và mô phỏng. Nếu điều đó xảy ra, nó sẽ đặt ra một câu hỏi khó hiểu khác cho các nhà vũ trụ học về những thời đại sớm nhất của lịch sử vũ trụ.

Tương lai của khám phá vũ trụ mô phỏng và thực

Các nghiên cứu vũ trụ học trong những thập kỷ tới sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ các mô phỏng như Thiên niên kỷ TNG. Tuy nhiên, các mô phỏng chỉ tốt khi dữ liệu họ nhận được và các giả định mà nhóm khoa học của họ đưa ra. MillenniumTNG hưởng lợi từ cơ sở dữ liệu thông tin rộng lớn, cũng như khả năng xử lý dữ liệu của các siêu máy tính. Theo điều tra viên chính của nhóm, Giáo sư Volker Sprengel của Viện Max Planck, các mô phỏng đã tạo ra hơn 3 petabyte dữ liệu là một tài sản lớn đối với vũ trụ học.

Ông nói: “MillenniumTNG kết hợp những tiến bộ gần đây trong mô phỏng sự hình thành thiên hà với lĩnh vực cấu trúc vũ trụ quy mô lớn, cho phép cải thiện mô hình lý thuyết về sự kết nối của các thiên hà với xương sống vật chất tối của vũ trụ”. “Điều này có thể rất hữu ích để thúc đẩy các câu hỏi quan trọng trong vũ trụ học, chẳng hạn như làm thế nào khối lượng neutrino có thể bị hạn chế tốt hơn bởi dữ liệu cấu trúc quy mô lớn.”

Những dự đoán của ông chắc chắn phù hợp với các mục tiêu của Dự án MillenniumTNG. Các nhóm tiếp tục xây dựng dựa trên thành công của dự án IllustrisTNG, dự án này đã chạy các mô phỏng thủy động lực học bên cạnh mô phỏng Thiên niên kỷ chỉ dành cho vật chất tối được tạo ra gần một thập kỷ trước. Các mô phỏng của nhóm đã được sử dụng để nghiên cứu một số chủ đề thiên hà khác nhau. Chúng bao gồm tập hợp vật chất và quầng sáng của các thiên hà, cụm thiên hà và sự phân bố của chúng, mô hình hình thành thiên hà, cụm thiên hà trong vũ trụ sơ khai, sự sắp xếp nội tại của các thiên hà và các chủ đề liên quan khác. Mặc dù họ không thể định nghĩa đầy đủ về vũ trụ (và đưa ra ba ví dụ), nhóm MillenniumTNG đang có những bước tiến lớn trong việc tìm hiểu nguồn gốc và sự tiến hóa của nó.

để biết thêm thông tin

Tìm kiếm các vết nứt trong mô hình vũ trụ tiêu chuẩn
Trang web dự án MillenniumTNG