Hai mô phỏng vũ trụ phá kỷ lục theo dõi 13,4 nghìn tỷ hạt vật chất tối

Các nhà vũ trụ học đang gặp một vấn đề nghe gần như nghịch lý: kính thiên văn càng tốt, việc diễn giải những gì chúng ta nhìn thấy càng khó. Vật chất tối, chất vô hình được cho là tạo nên phần lớn khối lượng trong vũ trụ, không phát ra ánh sáng của riêng nó. Cấu trúc của nó chỉ trở nên hữu hình một cách gián tiếp, thông qua cách nó bẻ cong ánh sáng và định hình nơi các thiên hà hình thành. Để kết nối những quan sát đó với lý thuyết, các nhà nghiên cứu xây dựng những vũ trụ ảo rộng lớn và để chúng tiến hóa.

Đó là những gì một nhóm tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ vừa thực hiện ở quy mô chưa từng có. Sử dụng Aurora, một trong những siêu máy tính exascale đầu tiên trên thế giới, các nhà khoa học đã hoàn thành hai mô phỏng vũ trụ học lớn nhất từng được chạy, theo một thông báo được tờ Science and Technology Daily của Trung Quốc đưa tin. Mỗi mô phỏng theo dõi sự tiến hóa của 13,4 nghìn tỷ hạt vật chất tối trong một vùng rộng 28,6 tỷ năm ánh sáng.

Con số này thật khó hình dung. Để so sánh, các mô phỏng hàng đầu trước đây theo dõi số lượng hạt ở mức hàng tỷ hoặc hàng nghìn tỷ thấp. Việc nhảy lên hơn 13 nghìn tỷ hạt trong một lần chạy có nghĩa là vũ trụ ảo có thể phân giải những cấu trúc mịn hơn nhiều, những cụm nhỏ vật chất tối mà nếu không sẽ bị nhòe thành một màn sương thống kê. Những cấu trúc nhỏ đó quan trọng vì chúng để lại dấu vết trên cách các thiên hà tập hợp và cách vật chất tối bóp méo ánh sáng của các vật thể xa xôi.

Các mô phỏng này nhắm đến một mục tiêu chính: lạm phát vũ trụ, lý thuyết cho rằng vũ trụ sơ khai đã trải qua một đợt bùng nổ giãn nở ngắn và dữ dội. Quá trình đó sẽ kéo căng những thăng giáng lượng tử nhỏ bé thành hạt giống của cấu trúc quy mô lớn ngày nay. Bằng cách so sánh các vũ trụ mô phỏng với các kịch bản lạm phát khác nhau với quan sát thực tế, các nhà thiên văn có thể thu hẹp phiên bản nào của lý thuyết còn tồn tại.

Cũng có lợi ích thực tiễn. Một thế hệ khảo sát bầu trời mới đang lập bản đồ hàng tỷ thiên hà và đo những biến dạng tinh tế trong hình dạng của chúng. Những cuộc khảo sát này tạo ra các bộ dữ liệu khổng lồ, và để khai thác thông tin vũ trụ học từ chúng đòi hỏi những dự đoán lý thuyết cũng lớn tương đương. Các lần chạy Aurora được dự định làm thư viện tham chiếu cho phân tích đó, giúp các nhà nghiên cứu tách tín hiệu thực sự khỏi nhiễu và các hiện tượng giả tạo do mô hình hóa.

Điện toán exascale, nghĩa là các cỗ máy có khả năng thực hiện hơn một quintillion phép tính mỗi giây, đã là một cột mốc được tìm kiếm từ lâu. Aurora, đặt tại Argonne gần Chicago, là một trong những hệ thống đầu tiên vượt qua ngưỡng đó. Vũ trụ học đã trở thành một trong những khối lượng công việc tiêu biểu của nó, vì các mô phỏng vật chất tối chỉ có trọng lực đòi hỏi tính toán nặng nhưng tương đối sạch để mô hình hóa, khiến chúng trở thành bài kiểm tra căng thẳng lý tưởng cho phần cứng mới.

Đối với độc giả toàn cầu, câu chuyện là lời nhắc nhở rằng thiên văn học hiện đại ngày càng là một công việc tính toán. Kính thiên văn thu thập photon, nhưng siêu máy tính biến chúng thành sự hiểu biết. Khi các đài quan sát ở Chile, Hawaii và cuối cùng là trong không gian tạo ra các danh mục thiên hà ngày càng lớn, nút thắt đang chuyển từ thu thập dữ liệu sang diễn giải nó.

Kết quả của nhóm Argonne vẫn là mô phỏng, không phải phát hiện, và giá trị khoa học của chúng sẽ phụ thuộc vào mức độ phù hợp với thực tế. Nhưng mỗi lần tăng gấp đôi số hạt đưa vũ trụ ảo đến gần vũ trụ thực một chút, và những cấu trúc lớn nhất trong vũ trụ giờ đây đang được tái tạo trên một cỗ máy ở Illinois, từng hạt một.