[Phần mềm di động: Bo Ke Yuan] Trong hầu hết thế kỷ 20, các nhà thiên văn học đã tìm kiếm trên bầu trời các siêu tân tinh và tàn dư siêu tân tinh của chúng (siêu tân tinh là cái chết bùng nổ của các ngôi sao khổng lồ) để tìm manh mối về tổ tiên của các ngôi sao, cơ chế khiến chúng phát nổ và sự tạo ra các nguyên tố nặng trong quá trình này. Trên thực tế, các sự kiện siêu tân tinh này tạo ra hầu hết các nguyên tố vũ trụ trong Vũ trụ, từ đó hình thành nên các ngôi sao, thiên hà và sự sống mới. Vì không ai có thể thực sự nhìn thấy siêu tân tinh ở cự ly gần nên các nhà nghiên cứu phải dựa vào mô phỏng siêu máy tính để hiểu rõ hơn về cơ chế vật lý kích hoạt và thúc đẩy các vụ nổ siêu tân tinh.
Hiện nay, lần đầu tiên, một nhóm các nhà vật lý thiên văn quốc tế đã mô phỏng vật lý ba chiều (3-D) của một siêu tân tinh, sáng hơn khoảng 100 lần so với một siêu tân tinh thông thường. Cột mốc này được đạt được nhờ sử dụng mã Castro của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) và siêu máy tính của Trung tâm máy tính khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia (NERSC) và được công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal. Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng các sự kiện siêu tân tinh này xảy ra khi một sao từ - một ngôi sao có từ trường mạnh hơn từ trường Trái Đất hàng nghìn tỷ lần - nằm ở trung tâm của một siêu tân tinh trẻ.
Hình minh họa: Pha tinh vân của siêu tân tinh do sao từ tạo ra thu được từ mô phỏng 3D; vật chất phóng ra từ siêu tân tinh hiện đã mở rộng đến kích thước tương đương với Hệ Mặt Trời; sự trộn lẫn trên diện rộng xảy ra ở cả vùng bên trong và bên ngoài của vật chất phóng ra; Đường cong ánh sáng và quang phổ thu được rất nhạy cảm với sự pha trộn, phụ thuộc vào cấu trúc sao và tính chất vật lý của sao từ.
Bức xạ do các sao từ giải phóng khuếch đại độ sáng của siêu tân tinh, nhưng để hiểu được điều này xảy ra như thế nào, các nhà nghiên cứu cần có mô phỏng đa chiều. Ken Chen, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà vật lý thiên văn tại Viện Thiên văn học và Vật lý thiên văn (ASIAA) thuộc Academia Sinica ở Đài Loan, cho biết: "Để thực hiện mô phỏng 3D các siêu tân tinh do sao từ gây ra đòi hỏi rất nhiều sức mạnh siêu máy tính và mã phù hợp, mã có thể nắm bắt được các thông tin vi mô có liên quan". Các mô phỏng số cần thiết để nắm bắt sự bất ổn định của chất lỏng trong các sự kiện SSN này theo ba chiều là cực kỳ phức tạp. Cần rất nhiều sức mạnh tính toán, đó là lý do tại sao chưa ai từng thực hiện nghiên cứu này trước đây.
Sự bất ổn định của chất lỏng có thể thấy ở khắp mọi nơi. Ví dụ, nếu bạn có một cốc nước và nhỏ một ít thuốc nhuộm vào đó, sức căng bề mặt của nước sẽ trở nên không ổn định và thuốc nhuộm nặng hơn sẽ chìm xuống đáy. Vì hai chất lỏng chảy qua nhau nên tính chất vật lý của sự bất ổn này không thể được nắm bắt trong một chiều. Cần có chiều thứ hai hoặc thứ ba vuông góc với chiều cao để thấy được mọi sự bất ổn. Ở quy mô vũ trụ, sự bất ổn của chất lưu dẫn đến sự nhiễu loạn và trộn lẫn đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành các vật thể vũ trụ như thiên hà, sao và siêu tân tinh, đòi hỏi phải ghi lại các hiện tượng vật lý trên nhiều quy mô với độ phân giải cực cao.
Hình minh họa: Lõi hỗn loạn của bong bóng từ tính bên trong siêu tân tinh, được mã hóa màu để hiển thị mật độ. Ngôi sao từ nằm ở trung tâm của hình ảnh này và có hai luồng năng lượng lưỡng cực phát ra từ nó. Kích thước thực tế của dòng chảy ra là khoảng 10.000 km.
Từ rất lớn đến rất nhỏ, cần phải mô hình hóa chính xác các vật thể thiên văn như siêu tân tinh siêu sáng. Điều này đặt ra một thách thức kỹ thuật cho các nhà vật lý thiên văn, nhưng nghiên cứu này đã có thể vượt qua nhờ một lược đồ số mới và hàng triệu giờ siêu máy tính tại NERSC. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng một tàn dư siêu tân tinh rộng khoảng 15 tỷ km với một sao từ có đường kính 10 km. Trong hệ thống này, kết quả mô phỏng cho thấy có hai thang độ bất ổn thủy động lực học được hình thành trong phần còn lại. Một sự bất ổn xảy ra trong các bong bóng nóng được cung cấp năng lượng bởi các sao từ, và sự bất ổn còn lại xảy ra khi sóng xung kích thông thường của một siêu tân tinh trẻ đập vào khí xung quanh.
Hai sự bất ổn về chất lỏng này dẫn đến sự pha trộn nhiều hơn mức thường xảy ra trong một sự kiện siêu tân tinh thông thường, điều này có tác động đáng kể đến đường cong ánh sáng và quang phổ của siêu tân tinh. Không điều nào trong số này có thể được ghi lại trong mô hình một chiều và không có tình huống nào trong số này xảy ra trong một sự kiện siêu tân tinh thông thường. Nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các sao từ có thể đẩy nhanh các nguyên tố canxi và silic do các siêu tân tinh trẻ phóng ra với tốc độ 12.000 km/giây, điều này giải thích sự mở rộng của các vạch phát xạ trong các quan sát quang phổ. Ngay cả năng lượng từ một sao từ yếu cũng có thể đẩy nhanh các nguyên tố nhóm sắt sâu bên trong tàn dư siêu tân tinh lên tới 5.000 đến 7.000 km mỗi giây.
Hình minh họa: Lõi hỗn loạn của bong bóng từ trường bên trong siêu tân tinh. Mã màu cho biết mật độ. Sao từ nằm ở trung tâm của hình ảnh này. Sự nhiễu loạn mạnh này là do bức xạ từ sao từ trung tâm gây ra.
Điều này giải thích tại sao sắt được quan sát thấy rất sớm trong các sự kiện siêu tân tinh sụp đổ lõi như SN1987A, một bí ẩn lâu đời trong vật lý thiên văn. Nhóm nghiên cứu là nhóm đầu tiên mô phỏng chính xác hệ thống siêu tân tinh theo ba chiều và may mắn được tiếp cận với siêu máy tính NERSC, một cơ sở cực kỳ thuận tiện để thực hiện khoa học tiên tiến.
Công viên Boco | Nghiên cứu/Từ: Trung tâm Khoa học Máy tính Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia
Tạp chí tham khảo: Vật lý thiên văn
BoKeYuan｜Khoa học, công nghệ, nghiên cứu, khoa học phổ thông
Theo dõi [Bokeyuan] để xem thêm nhiều khoa học vũ trụ đẹp hơn
