Dự án MEGATRON: Cầu nối giải mã cách những ngôi sao đầu tiên thắp sáng vũ trụ

Khi vũ trụ còn ở thời kỳ sơ khai, không gian chìm trong bóng tối bao la và hoàn toàn thiếu vắng các nguyên tố nặng. Những ngôi sao thế hệ đầu tiên xuất hiện đã thay đổi tất cả: chúng thắp sáng không gian, tổng hợp nên các nguyên tố hóa học như cacbon, oxy và sắt, rồi phát tán chúng ra vũ trụ qua những vụ nổ siêu tân sao. Tuy nhiên, làm thế nào để liên kết các hình ảnh trực tiếp về những thiên hà xa xôi với dấu vết hóa học còn lưu lại ngay trong lòng Ngân Hà của chúng ta? Dự án mô phỏng siêu máy tính MEGATRON được thành lập nhằm giải đáp câu hỏi trung tâm này. [1]

Hai mảnh ghép độc lập từ quan sát thiên văn

Để tái dựng bức tranh về thời kỳ bình minh của vũ trụ, các nhà thiên văn học hiện đang dựa vào hai nguồn dữ liệu hoàn toàn riêng biệt. Nguồn thứ nhất đến từ Kính thiên văn không gian James Webb (JWST), thiết bị thu ảnh trực tiếp của các thiên hà trẻ được hình thành từ thời vũ trụ mới bắt đầu phát triển. Nguồn thứ hai thuộc về lĩnh vực khảo cổ học sao, tập trung phân tích thành phần hóa học bên trong những ngôi sao lâu đời nhất hiện còn tồn tại xung quanh Ngân Hà. [1]

Những ngôi sao cổ đại này giữ vai trò như các hóa thạch vũ trụ, lưu giữ dấu ấn hóa học của môi trường xung quanh tại thời điểm chúng ra đời. Nhờ phân tích tỷ lệ nguyên tố trong các ngôi sao cổ, các nhà khoa học có thể suy luận ngược lại đặc tính của thế hệ sao đầu tiên. Dù vậy, việc kết nối hình ảnh trực tiếp từ kính James Webb với các dấu vết hóa học tại địa phương vẫn đòi hỏi một mô hình lý thuyết trung gian đủ chính xác. [1]

Vai trò cầu nối của mô phỏng MEGATRON

Dự án MEGATRON do các nhà nghiên cứu tại Đại học Bath (Vương quốc Anh) dẫn đầu, phối hợp cùng Đại học Chicago (Mỹ) và Viện Vật lý Thiên văn Paris (Pháp), được khởi xướng từ năm 2023 và dự kiến kéo dài đến năm 2030. Tiến sĩ Martin Rey cùng các cộng sự xây dựng hệ thống mô phỏng này nhằm tạo ra một khung vật lý chung, kết nối hai nguồn dữ liệu quan sát kể trên. [1]

Các mô hình máy tính bắt đầu với vùng khí nguyên thủy không chứa bất kỳ nguyên tố nặng nào, mô phỏng đúng điều kiện ngay sau vụ nổ Big Bang. Từ nền tảng đó, siêu máy tính theo dõi toàn bộ quá trình: sự hình thành của thế hệ sao đầu tiên, lượng bức xạ chúng giải phóng, các vụ nổ siêu tân sao ở cuối vòng đời và cách các nguyên tố mới được tạo thành lan truyền vào không gian. Nhóm nghiên cứu tiến hành theo dõi một thiên hà trẻ trong quá trình tiến hóa để đạt khối lượng tương đương Ngân Hà. [1]

Tầm quan trọng của độ phân giải cao trong tính toán vật lý

Bộ bốn nghiên cứu đầu tiên từ dự án MEGATRON công bố trên Tạp chí Vật lý Thiên văn Mở (The Open Journal of Astrophysics) chỉ ra rằng việc mô phỏng đồng thời nhiều yếu tố vật lý là vô cùng cần thiết. Mô hình phải tính toán song song dòng chuyển động của khí, sự lan truyền của ánh sáng sao và sự thay đổi nồng độ các nguyên tố hóa học qua hàng tỷ năm. [1]

Kết quả nghiên cứu cho thấy các mô hình vật lý đơn giản trước đây có thể đã đánh giá thấp mức độ tác động của bức xạ sao và các phản ứng hóa học lên lớp khí bao quanh thiên hà. Nhờ vận hành mô phỏng ở độ phân giải cực cao, MEGATRON tái hiện được những cấu trúc khí phức tạp mà các phương pháp cũ dễ bỏ qua. Việc ghi nhận chi tiết các tiến trình này giúp tăng tính chính xác cho các dự đoán lý thuyết khi đối chiếu với thực tế. [1]

Nguồn lực siêu máy tính khổng lồ

Khối lượng tính toán phức tạp đòi hỏi cơ sở hạ tầng công nghệ rất lớn. Dự án MEGATRON đã được cấp 40 triệu giờ xử lý trên hệ thống siêu máy tính quốc gia của Vương quốc Anh. Để dễ hình dung, lượng tài nguyên này tương đương với việc vận hành liên tục 5 triệu chiếc máy tính xách tay cùng lúc trong suốt một năm. [1]

Nguồn tài nguyên tính toán này cho phép đội ngũ nghiên cứu xây dựng các mô hình với độ phân giải cao hơn nữa và tích hợp các điều kiện vật lý toàn diện hơn. Ví dụ, một nghiên cứu gần đây của dự án đã phân tích cách các ngôi sao đầu tiên tạo ra dải tích tụ sắt (iron metallicity plateau) trong những thiên hà lùn nhỏ nhất, giúp làm rõ cơ chế phát tán nguyên tố trong quy mô thiên hà. [1]

Bức tranh toàn cảnh về nguồn gốc vật chất

Những nguyên tố tạo nên hành tinh và sự sống như cacbon, oxy hay sắt đều được tổng hợp bên trong lòng các ngôi sao. Việc hiểu rõ cách thế hệ sao đầu tiên hình thành và biến đổi môi trường xung quanh giúp giải đáp câu hỏi căn bản về nguồn gốc của các nguyên tố trong vũ trụ hiện đại. [1]

Thông qua việc liên tục so sánh mô phỏng chi tiết với dữ liệu thu được từ kính James Webb và các cuộc khảo sát sao cổ đại, dự án MEGATRON đang dần hoàn thiện mô hình lý thuyết về sự phát triển của vũ trụ. Những thế hệ mô phỏng tiếp theo hứa hẹn sẽ mang lại cái nhìn ngày càng rõ nét hơn về thời kỳ chuyển giao lịch sử khi bóng tối vũ trụ nhường chỗ cho ánh sáng. [1]