Các nhà khoa học ITMO Mô hình hóa Động lực Thiên hà bằng cách Sử dụng các Ion Bị Bẫy

Các chuyên gia từ Đại học ITMO đã phát triển một phương pháp tiên tiến, cho phép mô phỏng chuyển động của các ngôi sao so với trung tâm Dải Ngân hà và những biến đổi tiếp theo của Dải Ngân hà với độ chính xác cao. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng các ion nguyên tử được giữ lại trong một bẫy thí nghiệm đặc biệt. Điều này mở ra khả năng chuyển đổi từ các phép tính toán học thuần túy sang việc nghiên cứu thực nghiệm các quá trình vật lý thiên văn thông qua nguyên lý tương tự.

Ông Semyon Rudoy, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học và Giáo dục Vật lý cấu trúc nano của ITMO, giải thích rằng kỹ thuật này cho phép tái tạo một hệ thống vũ trụ ngay “trong lòng bàn tay”. Các nhà khoa học có thể nghiên cứu các hiện tượng thiên văn và thậm chí tác động lên chúng, sử dụng các hạt tích điện trong bẫy như một mô hình tương đương cho các ngôi sao. Các thiên hà, giống như các vật thể vũ trụ lớn khác, là những hệ thống động lực phức tạp. Trong đó, những thay đổi nhỏ nhất trong điều kiện ban đầu có thể dẫn đến kết quả không thể đoán trước trong dài hạn, điều này vốn là một hạn chế lớn đối với các mô hình tính toán truyền thống.

Để dự đoán trên các khoảng thời gian kéo dài, các nhà thiên văn học thường áp dụng các cấu trúc toán học đã được đơn giản hóa. Một ví dụ điển hình là thế năng Hénon-Heiles, được Michel Hénon và Carl Heiles đề xuất vào năm 1964. Nghiên cứu của các nhà khoa học ITMO, được Quỹ Khoa học Nga hỗ trợ, đã chứng minh rằng quỹ đạo của các ion nguyên tử trong bẫy tứ cực hoạt động tương tự như quỹ đạo của các ngôi sao trong thế năng thiên hà. Các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng thế năng Hénon-Heiles cổ điển trong thiên văn học có thể được tái tạo thành công trong hệ thống các ion nguyên tử.

Để thiết lập cấu hình trường điện cần thiết trong bẫy, các nhà khoa học đã sử dụng các điện cực chế tạo từ oxit indi-thiếc (ITO) được lắng đọng trên các đế thủy tinh. Ông Dmitry Sherbinin, nhà nghiên cứu cấp cao tại cùng trung tâm, nhấn mạnh rằng các hệ thống hỗn loạn, mặc dù khác biệt về bản chất (ở cấp độ vĩ mô và vi mô), vẫn tuân theo các quy luật chung. Điều này củng cố quan điểm rằng có những cơ chế điều chỉnh phổ quát tồn tại cho các hệ thống hỗn loạn khác nhau, cho phép chúng tái tạo lẫn nhau.

Trong các lĩnh vực liên quan, chẳng hạn như tính toán lượng tử dựa trên ion, các nhà khoa học Nga từ FIAN (Viện Hàn lâm Khoa học Nga) đã đạt được độ chính xác kỷ lục trong các phép toán một qubit trên máy tính 70-qubit vào tháng 12 năm 2025. Điều này khẳng định trình độ chuyên môn cao trong việc xử lý các hệ thống ion. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu quốc tế, ví dụ như Christopher Monroe, xem mô phỏng lượng tử trên ion là một nền tảng đầy hứa hẹn để mô hình hóa các hệ thống vật chất ngưng tụ, thì công trình nghiên cứu của Nga lại tập trung vào các mô hình vật lý thiên văn vĩ mô, sử dụng chính những nguyên tắc cơ bản về điều khiển các hạt tích điện này.

Việc áp dụng mô hình thực nghiệm này mang lại lợi thế vượt trội so với các mô phỏng số hóa thông thường. Thay vì chỉ dựa vào các giả định và xấp xỉ, các nhà nghiên cứu có thể quan sát trực tiếp sự tiến hóa của hệ thống động lực phức tạp này trong thời gian thực. Điều này mở ra chân trời mới cho việc kiểm tra các lý thuyết hấp dẫn và hiểu rõ hơn về sự hình thành và phát triển của các cấu trúc thiên hà khổng lồ.