Để đạt được cột mốc lịch sử này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng mã CASTRO (một mã thủy động lực học bức xạ trong vật lý thiên văn) của Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley (LBNL) và siêu máy tính tại Trung tâm Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC) của Mỹ. Công trình nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí Astrophysical hôm 20/4.
Trong suốt thế kỷ 20, các nhà thiên văn học đã săn lùng siêu tân tinh - sự kiện thiên văn học "biến đổi tức thời" xảy ra vào giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa sao ở những ngôi sao khối lượng lớn. Nghiên cứu về tàn tích của chúng có thể tiết lộ những manh mối về nguồn gốc, cơ chế phát nổ và những nguyên tố nặng sinh ra từ quá trình. Thực tế, siêu tân tinh cung cấp phần lớn yếu tố cần thiết để hình thành nên những ngôi sao, thiên hà và sự sống mới.
Theo nhóm nghiên cứu, sự kiện siêu sáng này xảy ra khi bên trong các siêu tân tinh xuất hiện một sao từ - dạng sao neutron với từ trường mạnh gấp hàng tỷ lần Trái Đất. Bức xạ được phóng ra từ nó khuếch đại độ sáng của siêu tân tinh. Nhưng để hiểu được cơ chế, các nhà nghiên cứu cần một mô phỏng đa chiều.
Mô phỏng 3D của một siêu tân tinh sáng gấp 100 lần bình thường. Ảnh: Ken Chen.
"Để tạo ra mô phỏng 3D của siêu tân tinh đòi hỏi kỹ thuật siêu máy tính và loại mã thể hiện được cơ chế vật lý học vi mô liên quan", tác giả chính của nghiên cứu, Ken Chen, nhà vật lý thiên văn thuộc Viện Thiên văn học và Vật lý thiên văn (ASIAA) của Đài Loan cho biết. "Việc mô phỏng sự mất cân bằng chất lưu (bằng số học) ở những sự kiện siêu sáng trong không gian ba chiều rất phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật tin học cao. Vì vậy, chưa có ai thực hiện điều đó trước đây", ông nói.
Một ví dụ về sự mất cân bằng chất lưu: nếu ta có một cốc nước và nhỏ một ít thuốc nhuộm lên trên, sức căng bề mặt của nước trở nên mất ổn định và thuốc nhuộm nặng hơn sẽ chìm xuống đáy. Vì hai loại chất lỏng chuyển động hỗn loạn, nên tính vật lý của sự bất ổn này rất khó thể hiện trong mô phỏng một chiều. Phải cần đến chiều thứ hai hoặc thứ ba để quan sát. Ở quy mô vũ trụ, sự mất cân bằng chất lưu đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các vật thể vũ trụ như thiên hà, ngôi sao và siêu tân tinh.
"Cần thể hiện cơ chế vật lý trên một loạt các quy mô, từ rất lớn cho đến rất nhỏ, với độ phân giải cực kỳ cao để mô hình hóa chính xác các đối tượng vật lý học thiên văn như siêu tân tinh siêu sáng. Điều đó đặt ra một thách thức kỹ thuật cho các nhà vật lý học thiên văn. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã sử dụng một chương trình số mới kết hợp với siêu máy tính ở NERSC", Chen cho biết.
Nhóm nghiên cứu đã mô hình hóa một tàn dư siêu tân tinh với bề rộng khoảng 15 tỷ km, cùng với một ngôi sao từ "đậm đặc" có đường kính 10km ở bên trong. Mô phỏng này thể hiện hai sự mất cân bằng thủy động lực học trong vật chất tàn dư của siêu tân tinh. Một là sự bất ổn trong khối cầu nhiệt được cấp năng lượng bởi sao từ. Điều bất ổn thứ hai nằm ở cách siêu tân tinh va chạm với khí xung quanh.
"Cả hai sự mất cân bằng chất lưu này gây nhiều hỗn loạn hơn sự kiện siêu tân tinh điển hình, hệ quả là tác động nghiêm trọng đến đường cong ánh sáng và quang phổ của siêu tân tinh", Chen giải thích.
Mô phỏng sự hỗn loạn trong lõi của sao từ. Ảnh: Ken Chen.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện, sao từ có thể gia tốc các nguyên tố canxi và silic được đẩy ra từ siêu tân tinh tới vận tốc 12.000 km/s. Thậm chí, năng lượng từ các sao từ yếu vẫn có thể gia tốc các nguyên tố nhóm sắt nằm sâu trong tàn dư siêu tân tinh lên đến 5.000 hoặc 7.000 km/s. Điều này giải thích tại sao chúng ta sớm quan sát thấy nguyên tố sắt trong các sự kiện phát nổ siêu tân tinh như SN 1987A.
Đoàn Dương (Theo Phys)