Bước tiếp theo trong mô phỏng vũ trụ
Dù hữu dụng nhưng các mô phỏng trên máy tính vẫn còn khó nắm bắt được tác động của những hạt neutrino trong quá trình hình thành và giãn nở về cấu trúc ở quy mô lớn của vũ trụ. Nhưng hiện tại, một nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã phát triển được một phương pháp vượt qua rào cản đó.
Các nhà nghiên cứu Nhật Bản nêu một cách tiếp cận mới chứng tỏ cách các hạt neutrino “ma” giúp định hình vũ trụ. Nguồn: University of Tsukuba
Trong một nghiên cứu xuất bản trên Astrophysical Journal với tiêu đề “Cosmological Vlasov – Poisson Simulations of Structure Formation with Relic Neutrinos: Nonlinear Clustering and the Neutrino Mass” (Các mô phỏng vũ trụ Vlasov – Poisson về hình thành cấu trúc với neutrino tàn tích: phân cụm phi tuyến và khối lượng hạt neutrino), một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học trường đại học Tsukuba đã trình bày các mô phỏng có thể mô tả một cách chính xác vai trò của các hạt neutrino trong quá trình tiến hóa của vũ trụ.
Tại sao các mô phỏng này lại quan trọng? Một nguyên nhân chính là do chúng có thể đặt những ràng buộc lên một đại lượng chưa biết nhưng đang hiện hữu: khối lượng hạt neutrino. Nếu đại lượng này được đặt vào một giá trị riêng trong các mô phỏng và các kết quả mô phỏng khác với quan sát, điều đó cho thấy giá trị có thể bị loại bỏ. Dẫu sao các ràng buộc này có thể chỉ đáng tin cậy khi các mô phỏng là chính xác, điều vẫn chưa được xác định trong nghiên cứu trước đây. Nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã đặt mục tiêu giải quyết những giới hạn đó.
“Những mô phỏng trước đều sử dụng những xấp xỉ đã biết nhưng có thể không thực sự hiệu quả”, Kohji Yoshikawa, tác giả chính của nghiên cứu, nhận xét. “Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã tránh các xấp xỉ đó bằng việc sử dụng một kỹ thuật thể hiện độ chính xác bằng hàm phân phối vận tốc của các hạt neutrino và theo sát sự tiến hóa của chúng”.
Phân bố đậm đặc của các hạt (trái) và vật chất tối (phải) trong cấu trúc vũ trụ ở quy mô lớn. Trong khi các hạt neutrino chuyển động nhanh và khuếch tán, sự phân bố vật chất tối tạo ra mạng vũ trụ theo cấu trúc dạng sợi. Nguồn: University of Tsukuba
Để làm được điều đó, nhóm nghiên cứu đã trực tiếp giải quyết một hệ các phương trình là các phương trình Vlasov–Poisson, vốn dùng để mô tả cách các hạt chuyển động trong vũ trụ. Sau đó họ đem các mô phỏng về các giá trị khác nhau của khối lượng hạt neutrino và kiểm tra một cách có hệ thống những tác động của hạt neutrino lên cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ.
Các kết quả mô phỏng thể hiện là các hạt neutrino có thể triệt tiêu cụm vật chất tối – khối lượng “bị mất” trong vũ trụ – và trong các thiên hà. Chúng cũng cho thấy là các vùng giàu neutrino có liên kết một cách chặt chẽ với các cụm thiên hà lớn và nhiệt độ hiệu nghiệm của các hạt neutrino biến đổi một cách bền vững phụ thuộc vào khối lượng của hạt neutrino.
Mô phỏng Vlasov-Poisson của các nhà nghiên cứu (trái) dự đoán một mức phân bố mật độ ít nhiễu và đều đặn của các hạt neutrinos so với mô phỏng tương tác hấp dẫn Newton truyền thống (phải). Credit: University of Tsukuba
“Về tổng thể, phát hiện của chúng tôi cho thấy các hạt neutrino ảnh hưởng một cách đáng kể đến sự hình thành cấu trúc ở quy mô lớn và các mô phỏng của chúng tôi cũng đem lại một giải thích chính xác về vai trò quan trọng của các hạt neutrino”, Yoshikawa giải thích. “Nó cũng giúp củng cố niềm tin là kết quả mới của chúng tôi phù hợp một cách hoàn toàn với những nghiên cứu từ những cách tiếp cận mô phỏng khác”.
Công trình của các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã nêu ra một cột mốc trong mô phỏng vũ trụ và tiến theo con đường khám phá xa hơn về việc các hạt neutrino ảnh hưởng đến sự hình thành và tăng trưởng của cấu trúc ở quy mô lớn. Ví dụ, cách tiếp cận mô phỏng mới có thể được sử dụng là nghiên cứu động lực của các hạt neutrino và những dạng vật chất tối độc đáo. Cuối cùng, nó có thể dẫn đến việc xác định khối lượng hạt neutrino.
Anh Vũ dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-12-simulating-universe.html
