Vũ trụ trông như thế nào trước khi những ngôi sao và thiên hà đầu tiên xuất hiện? Một công trình khoa học mới đã tạo ra mô hình máy tính khổng lồ, cho phép con người khám phá gần hai tỷ năm lịch sử đầu tiên của vũ trụ.
Hãy tưởng tượng bạn có một chiếc máy thời gian.
Bạn quay ngược về thời điểm Trái Đất chưa hình thành.
Tiếp tục quay về lúc Mặt Trời của chúng ta chưa ra đời.
Rồi xa hơn nữa, hàng tỷ năm về trước, khi những thiên hà quen thuộc ngày nay vẫn chưa xuất hiện.
Cuối cùng, bạn đến một thời kỳ bí ẩn, khi vũ trụ còn rất trẻ, tối tăm và hoàn toàn khác với những gì chúng ta nhìn thấy trên bầu trời hiện nay.
Bỗng nhiên, những đám khí khổng lồ bắt đầu tụ lại.
Những ngôi sao đầu tiên xuất hiện.
Ánh sáng dần lan tỏa và những thiên hà bắt đầu hình thành.
Nghe giống một bộ phim khoa học viễn tưởng phải không?
Nhưng các nhà khoa học vừa phát triển một mô hình máy tính đặc biệt, cho phép chúng ta quan sát quá trình này dưới dạng mô phỏng.
Dự án mang tên
Lumina là một trong những chương trình mô phỏng vũ trụ sơ khai có quy mô lớn và chi tiết nhất từ trước đến nay.
Công trình được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu quốc tế, bao gồm các nhà khoa học thuộc Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard & Smithsonian và Viện Công nghệ Massachusetts (MIT).
Kết quả được công bố vào tháng 10 năm 2026 trên tạp chí khoa học
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Vũ Trụ Trông Như Thế Nào Trước Khi Có Những Ngôi Sao Đầu Tiên?
Theo ước tính của các nhà khoa học, vũ trụ bắt đầu hình thành cách đây khoảng 13,8 tỷ năm, từ sự kiện được gọi là Big Bang.
Tuy nhiên, Big Bang không phải một vụ nổ thông thường xảy ra trong khoảng không gian có sẵn.
Đó là sự khởi đầu của quá trình giãn nở vũ trụ.
Ở giai đoạn đầu, vũ trụ vô cùng nóng và đặc.
Khi không gian giãn nở, nhiệt độ dần giảm xuống.
Khoảng 380.000 năm sau Big Bang, các electron bắt đầu kết hợp với hạt nhân nguyên tử, tạo thành những nguyên tử trung hòa.
Vũ trụ trở nên trong suốt hơn đối với ánh sáng còn sót lại từ thời kỳ đầu.
Tuy nhiên, lúc đó chưa có các ngôi sao và thiên hà tỏa sáng khắp không gian như ngày nay.
Các nhà thiên văn gọi thời kỳ này là
thời đại tăm tối của vũ trụ.
Nhưng bóng tối ấy không kéo dài mãi mãi.
Lực hấp dẫn dần kéo vật chất tụ lại thành những vùng có mật độ cao.
Các đám khí khổng lồ tích tụ trong những cấu trúc chịu ảnh hưởng của vật chất tối.
Cuối cùng, những ngôi sao đầu tiên được hình thành, tiếp theo là các thiên hà.
Các nhà khoa học đã dành nhiều thập niên tìm hiểu chính xác những quá trình này diễn ra như thế nào.
Giờ đây, Lumina mang đến một công cụ mới để nghiên cứu câu chuyện đó.
Một Vũ Trụ Ảo Rộng Hơn 1,5 Tỷ Năm Ánh Sáng
Quy mô của Lumina lớn đến mức rất khó tưởng tượng.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một vùng không gian mô phỏng rộng khoảng
1,5 đến 1,6 tỷ năm ánh sáng.
Một năm ánh sáng là khoảng cách ánh sáng di chuyển trong một năm, tương đương khoảng 9.460 tỷ kilômét.
Điều đó có nghĩa là ngay cả khi có thể di chuyển với tốc độ ánh sáng, chúng ta vẫn cần hơn một tỷ năm để đi hết chiều rộng của vùng mô phỏng này.
Nhưng Lumina không chỉ tạo ra một bức tranh tĩnh.
Chương trình tính toán sự tương tác giữa vật chất tối, khí, các ngôi sao, thiên hà và bức xạ trong quá trình vũ trụ phát triển.
Mô hình bắt đầu từ khoảng 45 triệu năm sau Big Bang và tiếp tục đến thời điểm gần hai tỷ năm sau sự kiện này.
Các nhà nghiên cứu có thể quan sát những cấu trúc rộng hàng triệu năm ánh sáng, rồi phóng to để nghiên cứu từng thiên hà đang hình thành.
Hãy tưởng tượng Google Earth.
Bạn có thể nhìn toàn bộ Trái Đất, rồi phóng to đến một thành phố hoặc một ngôi nhà.
Lumina cũng có khả năng quan sát ở nhiều mức độ khác nhau, nhưng thay vì từ Trái Đất đến một ngôi nhà, chương trình có thể chuyển từ một vùng không gian khổng lồ đến một thiên hà riêng biệt.
Đó là một trong những điều khiến công trình này trở nên đặc biệt.
Siêu Máy Tính Nào Đủ Sức Tái Hiện Lịch Sử Vũ Trụ?
Để thực hiện những phép tính khổng lồ, các nhà khoa học đã sử dụng
Frontier, một trong những siêu máy tính mạnh nhất thế giới.
Frontier được đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, bang Tennessee, Hoa Kỳ.
Ở quy mô xử lý cao nhất, dự án sử dụng nguồn lực tính toán tương đương:
- Khoảng 15.000 bộ xử lý đồ họa, gọi là GPU.
- Hơn 100.000 lõi xử lý CPU.
- Khoảng nửa nghìn tỷ phần tử mô phỏng, bao gồm các hạt vật chất tối và những ô khí.
GPU là loại bộ xử lý chuyên dụng thường được sử dụng trong đồ họa máy tính, trò chơi điện tử, trí tuệ nhân tạo và các phép tính khoa học phức tạp.
Trong dự án Lumina, hàng nghìn bộ xử lý làm việc cùng nhau để tính toán sự thay đổi của vật chất và bức xạ qua những khoảng cách khổng lồ.
Khó khăn không chỉ nằm ở kích thước mô hình.
Các nhà khoa học còn phải bảo đảm chương trình đủ chi tiết để nghiên cứu từng thiên hà, trong khi vẫn theo dõi sự phát triển của những cấu trúc khổng lồ trong vũ trụ.
Quan Sát Vũ Trụ Dần Thoát Khỏi Bóng Tối
Một trong những điều hấp dẫn nhất của Lumina là khả năng biến những phép tính khoa học thành hình ảnh chuyển động.
Khi mô phỏng bắt đầu, lực hấp dẫn kéo khí và vật chất tối tụ lại.
Những cấu trúc ngày càng dày đặc hình thành.
Bên trong các thiên hà đầu tiên, các ngôi sao bắt đầu phát sáng.
Ánh sáng và bức xạ từ những ngôi sao này lan tỏa ra không gian, làm thay đổi trạng thái của khí xung quanh.
Quá trình này góp phần kết thúc thời đại tăm tối của vũ trụ.
Hãy tưởng tượng bạn đang đứng trước một vùng đất rộng lớn bị sương mù bao phủ.
Ban đầu, gần như không nhìn thấy gì.
Sau đó, những ánh đèn nhỏ xuất hiện.
Ngày càng nhiều ánh đèn bật sáng, tạo thành những cụm sáng lớn.
Dần dần, màn sương thay đổi và cảnh vật trở nên rõ ràng hơn.
Đây là một cách hình dung đơn giản về một phần những biến đổi đã xảy ra trong vũ trụ sơ khai.
Khi các ngôi sao và thiên hà phát ra bức xạ mạnh, bức xạ đó có thể tách electron khỏi nguyên tử hydro.
Các nhà khoa học gọi quá trình này là
tái ion hóa.
Lumina mô phỏng sự thay đổi của hydro, đồng thời theo dõi một quá trình quan trọng khác liên quan đến khí heli.
Theo mô hình, ánh sáng từ những ngôi sao và thiên hà đầu tiên đóng vai trò lớn trong quá trình tái ion hóa hydro.
Trong khi đó, bức xạ năng lượng cao phát ra từ hoạt động của các hố đen siêu khối lượng góp phần quan trọng vào quá trình tái ion hóa heli.
Những biến đổi này đã ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển của vũ trụ.
Vật Chất Tối Là Gì Và Tại Sao Nó Quan Trọng?
Một thành phần quan trọng khác trong mô hình Lumina là vật chất tối.
Đây là loại vật chất đặc biệt mà các nhà khoa học chưa thể quan sát trực tiếp bằng ánh sáng thông thường.
Vật chất tối không phát ra hay hấp thụ ánh sáng theo cách chúng ta có thể dễ dàng phát hiện bằng kính thiên văn.
Tuy nhiên, lực hấp dẫn của nó ảnh hưởng đến chuyển động và sự phân bố của các thiên hà.
Hãy tưởng tượng một tòa nhà khổng lồ có hệ thống khung đỡ mà bạn không thể nhìn thấy.
Dù không thấy khung đỡ, bạn vẫn biết nó có vai trò quan trọng đối với cấu trúc của tòa nhà.
Vật chất tối cũng đóng một vai trò tương tự trong quá trình hình thành những cấu trúc lớn của vũ trụ.
Lực hấp dẫn của vật chất tối giúp kéo vật chất thông thường tụ lại thành những mạng lưới khổng lồ.
Các nhà thiên văn gọi những cấu trúc này là
mạng lưới vũ trụ.
Lumina giúp các nhà khoa học theo dõi cách mạng lưới vô hình đó ảnh hưởng đến sự hình thành các thiên hà đầu tiên.
Kính Viễn Vọng James Webb Giúp Kiểm Chứng Mô Hình Như Thế Nào?
Sự xuất hiện của Lumina diễn ra vào thời điểm ngành thiên văn học đang có nhiều bước tiến đáng chú ý.
Kính viễn vọng không gian James Webb của NASA có khả năng quan sát những thiên hà cực kỳ xa xôi.
Điều đặc biệt là khi nhìn vào những thiên hà ở xa, chúng ta cũng đang nhìn ngược về quá khứ.
Lý do rất đơn giản: ánh sáng cần thời gian để di chuyển.
Ánh sáng từ một số thiên hà xa xôi đã bắt đầu hành trình đến Trái Đất cách đây hơn 13 tỷ năm.
Tuy nhiên, kính viễn vọng chỉ ghi nhận được ánh sáng thực sự truyền đến chúng ta.
Máy tính có thể giúp các nhà khoa học mô phỏng những gì có thể đã xảy ra giữa các thời điểm quan sát đó.
Đây chính là sự kết hợp thú vị giữa quan sát và lý thuyết.
Kính viễn vọng cung cấp bằng chứng về những gì đã xảy ra. Mô hình máy tính giúp các nhà khoa học kiểm tra cách những sự kiện đó có thể diễn ra.
Nếu hình ảnh từ James Webb phù hợp với dự đoán của Lumina, điều đó sẽ củng cố những lý thuyết được sử dụng trong mô hình.
Ngược lại, nếu xuất hiện những khác biệt lớn, các nhà khoa học có thể cần xem xét lại một số giả thuyết về lịch sử vũ trụ.
Lumina cũng có thể hỗ trợ việc chuẩn bị và phân tích dữ liệu từ Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman của NASA.
Một Nhà Khoa Học Tại Texas Cũng Tham Gia Dự Án
Công trình này còn có một điểm kết nối thú vị với tiểu bang Texas.
Ông Aaron Smith, phó giáo sư vật lý tại Đại học Texas ở Dallas, là một trong những tác giả tham gia dự án Lumina.
Nhóm nghiên cứu còn có các nhà khoa học đến từ nhiều tổ chức tại Hoa Kỳ, Đức, Canada và những quốc gia khác.
Dự án cho thấy các khám phá khoa học hiện đại ngày càng phụ thuộc vào sự hợp tác giữa nhiều lĩnh vực, từ thiên văn học, toán học đến công nghệ máy tính.
Các Nhà Khoa Học Có Thật Sự Tạo Ra Một Vũ Trụ Mới Không?
Câu trả lời là không.
Mặc dù một số tiêu đề tin tức sử dụng từ "tái tạo vũ trụ", các nhà khoa học không thực sự tạo ra một vũ trụ vật lý mới.
Họ cũng không tái hiện vụ Big Bang trong phòng thí nghiệm.
Lumina là một mô hình toán học phức tạp được vận hành trên siêu máy tính.
Chương trình bắt đầu từ những điều kiện ban đầu được xây dựng dựa trên các lý thuyết khoa học hiện có.
Sau đó, máy tính tính toán cách vật chất và bức xạ có thể thay đổi theo thời gian.
Vì thế, những hình ảnh tuyệt đẹp của Lumina là hình ảnh mô phỏng khoa học, không phải ảnh chụp trực tiếp vũ trụ cổ đại.
Tuy nhiên, đây vẫn là một công cụ nghiên cứu vô cùng giá trị.
Những Bí Ẩn Nào Có Thể Được Giải Đáp Tiếp Theo?
Các nhà khoa học hy vọng sử dụng Lumina để nghiên cứu nhiều câu hỏi lớn.
Những thiên hà đầu tiên hình thành và phát triển như thế nào?
Khí di chuyển giữa các thiên hà ra sao?
Các hố đen siêu khối lượng đầu tiên ảnh hưởng đến môi trường xung quanh như thế nào?
Tại sao một số khu vực hình thành sao nhanh hơn những nơi khác?
Và quan trọng hơn, liệu những lý thuyết hiện tại có mô tả chính xác sự phát triển của vũ trụ sơ khai hay không?
Bằng cách so sánh mô hình với những quan sát thực tế, các nhà khoa học có thể phát hiện những điểm còn thiếu trong hiểu biết của con người.
Cánh Cửa Mới Nhìn Về Quá Khứ Của Vũ Trụ
Từ hàng nghìn năm trước, con người đã ngước nhìn bầu trời và đặt ra những câu hỏi lớn.
Những ngôi sao đầu tiên đến từ đâu?
Các thiên hà khổng lồ hình thành như thế nào?
Làm sao một vũ trụ sơ khai tương đối đơn giản lại có thể phát triển thành không gian rộng lớn chứa vô số thiên hà, ngôi sao và hành tinh như ngày nay?
Lumina chưa thể trả lời tất cả những câu hỏi đó.
Nhưng nó mang đến một trong những mô hình chi tiết nhất để các nhà khoa học khám phá những giai đoạn đầu tiên của lịch sử vũ trụ.
Khi kính viễn vọng ngày càng hiện đại và siêu máy tính ngày càng mạnh, khả năng nghiên cứu nguồn gốc vũ trụ sẽ tiếp tục được cải thiện.
Chúng ta chưa thể du hành ngược thời gian hàng tỷ năm. Nhưng nhờ khoa học hiện đại, con người đã có thể xây dựng một vũ trụ ảo để tìm hiểu quá trình hình thành thế giới mà chúng ta đang sống.
Và điều kỳ diệu nhất có lẽ là tất cả những gì quen thuộc với chúng ta hôm nay—Mặt Trời, Trái Đất, đại dương và chính con người—đều là một phần của câu chuyện vũ trụ kéo dài hàng tỷ năm ấy.
Nguồn Tham Khảo
Nghiên cứu gốc: Zier, O. và cộng sự (2026). "Introducing the lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization."
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, tập 552, số 4.
DOI:
https://doi.org/10.1093/mnras/stag1469
MIT News: https://news.mit.edu/2026/watch-universe-emerge-from-dark-ages-with-lumina-1026
ScienceDaily: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261026225600.htm
Trang dự án Lumina: https://lumina-simulation.com/
