Trong Lịch vũ trụ, lập bản đồ niên đại của Vũ trụ qua một năm Trái đất, con người hiện đại không xuất hiện cho đến phút cuối cùng của ngày 31 tháng 12.

Tất cả những gì chúng ta hiểu về sự tiến hóa của Vũ trụ, chúng ta đã phải ghép lại với nhau. Chúng ta chỉ đơn giản là chưa đi qua bất kỳ khoảng thời gian nào trong lịch sử 13,7 tỷ năm của vũ trụ để quan sát nó hoạt động.

Tác phẩm trinh thám đó khá hoành tráng. Và một trong những công cụ trong bộ công cụ của chúng tôi là các mô phỏng về sự hình thành và tiến hóa của các cấu trúc rộng lớn trải dài trong không gian có thể quan sát được.

Giờ đây, bằng cách sử dụng siêu máy tính, một nhóm các nhà khoa học quốc tế do Đại học Helsinki ở Phần Lan đứng đầu đã tạo ra mô phỏng lớn nhất và chính xác nhất về sự tiến hóa của Vũ trụ địa phương. Điều này có thể giúp chúng ta hiểu được các động lực khi Vũ trụ tiếp tục phát triển, bao gồm vật chất tối bí ẩn và năng lượng tối.

Nhà vũ trụ học Carlos Frenk thuộc Đại học Durham ở Anh cho biết: “Các mô phỏng chỉ đơn giản tiết lộ hậu quả của các quy luật vật lý tác động lên vật chất tối và khí vũ trụ trong suốt 13,7 tỷ năm mà Vũ trụ của chúng ta tồn tại”.

"Thực tế là chúng tôi đã có thể tái tạo những cấu trúc quen thuộc này cung cấp hỗ trợ ấn tượng cho mô hình Vật chất tối lạnh tiêu chuẩn và cho chúng tôi biết rằng chúng tôi đang đi đúng hướng để hiểu được sự tiến hóa của toàn bộ Vũ trụ."

Mô phỏng được gọi là SIBELIUS-DARK, và nó bao phủ một vùng không gian kéo dài 600 triệu năm ánh sáng tính từ Hệ Mặt trời. Điều này bao gồm một số cụm thiên hà, bao gồm Xử Nữ, Hôn mê và Perseus; các thiên hà Milky Way và Andromeda; the Local Void; và Great Attractor.

Sự phân bố vật chất tối của khối lượng SIBERIUS-DARK. (McAlpine và cộng sự, MNRAS, 2022)

Trong thể tích không gian này, mô phỏng cần có khoảng 130 tỷ hạt. Tính toán các hạt này trong toàn bộ vòng đời của Vũ trụ - và ở độ phân giải cao hơn bao giờ hết - mất vài tuần trên siêu máy tính DiRAC COSmology MAchine (COSMA) tại Đại học Durham, tạo ra một petabyte dữ liệu. Sau đó, các nhà nghiên cứu phải so sánh kết quả với các cuộc khảo sát quan sát về Vũ trụ thực.

Điều này cho phép họ khám phá một thứ gọi là mô hình Vật chất tối lạnh của vũ trụ học, tiêu chuẩn hiện tại để lập bản đồ sự tiến hóa của Vũ trụ. Nó dựa trên một mạng vũ trụ rộng lớn gồm vật chất tối, một khối vô hình bí ẩn chịu trách nhiệm tạo thêm lực hấp dẫn cho Vũ trụ ngoài những gì vật chất thông thường có thể tính được.

Theo mô hình này, vật chất tối tích tụ thành các đám được gọi là quầng. Hydro và các khí khác đi vào các quầng sáng này, cuối cùng tạo thành các ngôi sao và sau đó là các thiên hà. Mô hình này giải thích khá nhiều thuộc tính của Vũ trụ có thể quan sát được. Tuy nhiên, hầu hết các mô phỏng kết hợp nó đều mô phỏng một bản vá ngẫu nhiên của Vũ trụ.

Bản vá của Vũ trụ của chúng ta hơi nằm ngoài quy chuẩn ngẫu nhiên. Dải Ngân hà đang trôi nổi trong khoảng không, hoặc một tỷ trọng tương đối của các thiên hà so với sự phân bố trung bình trong Vũ trụ rộng lớn hơn. Vì vậy, các nhà nghiên cứu quyết định tạo lại góc Vũ trụ của riêng chúng ta, để xem liệu mô hình Vật chất tối lạnh có thể tái tạo những gì chúng ta thấy ở vùng lân cận của chúng ta hay không.

Nhà vũ trụ học Matthieu Schaller của Đại học Leiden ở Hà Lan cho biết: “Dự án này thực sự mang tính đột phá. "Những mô phỏng này chứng minh rằng Mô hình Vật chất Tối Lạnh tiêu chuẩn có thể tạo ra tất cả các thiên hà mà chúng ta thấy trong khu vực lân cận của chúng ta. Đây là một bài kiểm tra rất quan trọng để mô hình vượt qua."

Nhưng SIBELIUS-DARK cũng cho thấy rằng Local Void có thể không bình thường, ở chỗ nó dường như đã tiến hóa từ một vùng vật chất tối có mật độ lớn cục bộ ngay từ đầu. Điều gì đã tạo ra mật độ thấp này trong mạng vũ trụ sơ khai sẽ cần phải là chủ đề của các cuộc khám phá trong tương lai.

Trong khi đó, nhóm sẽ tiến hành các phân tích sâu hơn về mô phỏng để kiểm tra mô hình Vật chất tối lạnh của vũ trụ học.

Nhà vật lý Stuart McAlpine của Đại học Helsinki cho biết: “Bằng cách mô phỏng Vũ trụ của chúng ta, chúng ta đang tiến thêm một bước nữa để hiểu được bản chất của vũ trụ.

"Dự án này cung cấp một cầu nối quan trọng giữa nhiều thập kỷ lý thuyết và các quan sát thiên văn."

Nghiên cứu đã được xuất bản trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.