Các siêu máy tính Intel và AMD nhanh nhất thế giới đang giúp giải mã hiện tượng thực sự xảy ra ở rìa hố đen

Một nhóm các nhà vật lý thiên văn từ Viện Nghiên cứu Cao cấp (Institute for Advanced Study) và Flatiron Institute vừa xây dựng mô hình máy tính chi tiết nhất từ trước đến nay mô tả cách vật chất rơi vào hố đen.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal , đánh dấu lần đầu tiên các nhà khoa học có thể mô phỏng quá trình này bằng thuyết tương đối rộng đầy đủ và trong điều kiện bức xạ chi phối, mà không cần sử dụng các giả định đơn giản hóa như trước đây.

Tác giả chính của nghiên cứu, Lizhong Zhang, cho biết đây là lần đầu tiên các nhà khoa học có thể quan sát chính xác điều gì xảy ra khi những quá trình vật lý quan trọng nhất trong hiện tượng bồi tụ vật chất vào hố đen được đưa vào mô hình tính toán.

Ông giải thích rằng các hệ thống này có tính phi tuyến cực kỳ phức tạp, nên chỉ cần một giả định đơn giản hóa nhỏ cũng có thể khiến kết quả thay đổi hoàn toàn. Điều đáng chú ý là các mô phỏng mới đã tái hiện rất tốt những hành vi quan sát được trong các hệ hố đen ngoài vũ trụ, từ các nguồn tia X siêu sáng cho đến các hệ sao đôi phát tia X.

Theo Zhang, ở một khía cạnh nào đó, các nhà khoa học đã “quan sát” các hệ thống này không phải bằng kính thiên văn mà bằng máy tính.

Mô phỏng cách vật chất rơi vào hố đen

Trong nghiên cứu, nhóm khoa học đã khảo sát các dòng bồi tụ vật chất trong môi trường bị chi phối bởi bức xạ với nhiều điều kiện khác nhau. Họ thay đổi tốc độ vật chất rơi vào hố đen, thử nghiệm hai mức độ quay của hố đen và nhiều cấu hình từ trường khác nhau.

Các mô hình sử dụng một thuật toán mới có thể giải trực tiếp phương trình vận chuyển bức xạ trong thuyết tương đối rộng, điều vốn trước đây gần như không thể thực hiện do yêu cầu tính toán quá lớn. Điều này chỉ khả thi nhờ các siêu máy tính exascale hiện đại.

Kết quả cho thấy khi hố đen hấp thụ vật chất với tốc độ vượt quá cái gọi là giới hạn Eddington, dòng vật chất sẽ tạo thành các đĩa dày được duy trì bởi áp suất bức xạ và đẩy ra các luồng gió mạnh theo mặt phẳng xích đạo.

Trong trạng thái này, một cấu trúc giống phễu hẹp hình thành gần trung tâm, nơi ánh sáng thoát ra rất kém. Điều này khiến hiệu suất bức xạ cực thấp, nghĩa là phần lớn năng lượng bị giữ lại bên trong thay vì phát ra dưới dạng ánh sáng.

Giới hạn Eddington là mức độ sáng tối đa mà một hố đen hoặc ngôi sao có thể đạt được trước khi áp suất bức xạ đẩy vật chất ra ngoài, ngăn quá trình bồi tụ tiếp tục diễn ra. Đối với hố đen, đây được xem là giới hạn lý thuyết cho tốc độ tăng trưởng của chúng.

Vai trò của từ trường và sự hình thành tia vật chất

Khi tốc độ bồi tụ gần hoặc thấp hơn giới hạn Eddington, cấu trúc của hệ thống lại phụ thuộc vào từ thông của từ trường.

Nếu tồn tại từ thông thẳng đứng, đĩa vật chất sẽ hình thành một lớp dày đặc ở mặt phẳng trung tâm, bao quanh bởi vùng corona bị chi phối bởi từ trường. Ngược lại, nếu không có từ thông này, toàn bộ đĩa bồi tụ vẫn sẽ bị chi phối bởi từ trường.

Các mô hình trong nghiên cứu không đạt tới trạng thái gọi là magnetically arrested disk (MAD) — một dạng đĩa bồi tụ nơi từ trường mạnh đến mức làm chậm dòng vật chất. Tuy nhiên, trong các trường hợp có từ thông và hố đen quay nhanh, hệ thống vẫn tạo ra những tia vật chất tương đối tính cực mạnh.

Nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào hố đen khối lượng sao, có khối lượng khoảng gấp 10 lần Mặt Trời.

Những hố đen loại này khó quan sát trực tiếp hơn so với các hố đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà, vốn có thể được chụp ảnh. Vì vậy, các nhà khoa học thường phải dựa vào phổ bức xạ để hiểu cấu trúc và hoạt động của chúng.

Một ưu điểm của hố đen khối lượng sao là chúng biến đổi rất nhanh, với các chu kỳ chỉ kéo dài từ vài phút đến vài giờ. Điều này cho phép các nhà khoa học nghiên cứu cách hệ thống thay đổi gần như theo thời gian thực.

Các mô phỏng trong nghiên cứu cho kết quả rất phù hợp với dữ liệu quan sát thực tế, bao gồm phổ bức xạ từ các hệ sao đôi phát tia X và các nguồn tia X siêu sáng như Cyg X-3 và SS433.

Nhóm nghiên cứu cũng cho rằng các mô hình siêu Eddington của họ có thể giúp giải thích hiện tượng “những chấm đỏ nhỏ” (little red dots) mới được kính viễn vọng James Webb phát hiện gần đây.

Sức mạnh của các siêu máy tính exascale

Công trình này được thực hiện nhờ hai trong số những siêu máy tính nhanh nhất thế giới hiện nay: Frontier, sử dụng bộ xử lý AMD tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, và Aurora, hệ thống dựa trên Intel tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.

Những cỗ máy exascale này có khả năng thực hiện một tỷ tỷ phép tính mỗi giây, cho phép các nhà khoa học giải quyết những phương trình vật lý trước đây quá phức tạp để xử lý.

Christopher White là người thiết kế thuật toán vận chuyển bức xạ, trong khi Patrick Mullen triển khai thuật toán này vào phần mềm AthenaK, một hệ thống mô phỏng được tối ưu cho các siêu máy tính exascale.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định mở rộng phương pháp này để mô phỏng hố đen siêu khối lượng, những đối tượng đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của các thiên hà.

Họ cũng muốn tiếp tục cải tiến mô hình để mô tả chính xác hơn cách bức xạ tương tác với vật chất trong nhiều điều kiện khác nhau.

Đồng tác giả James Stone cho biết điểm đặc biệt của dự án này nằm ở hai yếu tố. Thứ nhất là thời gian và công sức cần thiết để phát triển các phương pháp toán học và phần mềm có thể mô phỏng những hệ thống phức tạp như vậy. Thứ hai là việc có được quyền sử dụng lượng tài nguyên tính toán khổng lồ trên những siêu máy tính lớn nhất thế giới.

Theo ông, thách thức tiếp theo không chỉ là chạy các mô phỏng mà còn là hiểu hết những kiến thức khoa học mới mà chúng mang lại.