Ảnh chụp hố đen vũ trụ tiêu tốn 100 triệu giờ CPU xử lý

Hình ảnh lỗ đen siêu lớn nằm giữa trung tâm thiên hà của chúng ta, Dải Ngân hà, được tạo ra từ sự khéo léo của con người cũng như người bạn thân thiết CPU.
Thành tựu đó đạt được thông qua sự hợp tác và nghiên cứu kéo dài 5 năm giữa cụm Event Horizon Telescope (EHT), siêu máy tính Frontera tại Trung tâm Tính toán Tiên tiến Texas (TACC), cũng như Open Science Grid của NSF.

Hình ảnh Nhân Mã A* (Sgr A*: Sagittarius A*) và ánh sáng bị mắc kẹt bên trong của nó đã tái hiện những giấc mơ cũng như điều diệu kỳ trong vũ trụ của chúng ta. Tất cả những điều này đều cách Trái Đát 27.000 năm ánh sáng và cho thấy hình ảnh một lỗ đen siêu ước, với ước tính nặng gấp 4 triệu lần mặt trời.
Nhiệm vụ cấp độ thiên hà này tiêu tốn khoảng 100 triệu giờ CPU hoạt động cũng như nỗ lực phối hợp từ hơn 300 nhà nghiên cứu, nhằm hợp nhất tất cả thành một hình ảnh duy nhất vừa được tung ra. Nhưng làm thế nào để một người có thể “nhìn thấy” một lỗ đen có khối lượng quá lớn mà lực hấp dẫn của có thể bắt được mọi hạt li ti có chuyển động với tốc độ ánh sáng? Một người có thể thực sự nhìn thấy đường viên của lỗ đen bằng cách chú ý đến lượng ánh sáng thoát ra khỏi chân trời sự kiện khoảng 1 phút.
Để tạo ra nó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng giao thoa kế, sức mạnh quét dựa trên sóng vô tuyến của cụm EHT, bao gồm 8 kính thiên văn vô tuyến được triển khai trên toàn câu, tuy nhiên, việc quét các thiên thể ở khoảng cách không tưởng đi kèm với một số thứ cần lưu ý, chẳng hạn như thời gian phơi sáng (trong trường hợp này, nó tương đương với việc chụp ảnh một cái cây với tốc độ màn trập 1 giây trong 1 ngày gió) và các yếu tố khác nhưu nhiễu dữ liệu, nhiễu hạt và những thiên thẻ. Tất cả phải được tính đến.
Với nỗ lực đó, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một thư viện mô phỏng với những lỗ đen tận dụng các tính chất vật lý lỗ đen đã biết, thuyết tương đối rộng cùng một số lĩnh vực khoa học. Thư viện này có thể phân tích cú pháp lượng dữ liệu khổng lồ mà cụm EHT thu được thành 1 hình ảnh thực tế, có thể xem được. Nhưng để làm được như vậy, nó bắt buộc phải có một sức mạnh cũng như khả năng tính toán to lớn khủng khiếp.

Charles Gammie, nhà nghiên cứu của Đại học Illinois tại Urbana-Champaign, cho biết: “Chúng tôi đã tạo ra vô số mô phỏng và so sánh chúng với dữ liệu. Kết quả là chúng tôi có một tập hợp các mô hình giải thích hầu hết mọi thứ trong dữ liệu. Điều đó khá đáng chú ý bởi nó giải thích không chri dữ liệu Chân trời Sự kiện mà còn giải thích dữ liệu lđược lấy từ các công cụ khác. Đó là một thành công của vật lý tính toán.”
Phần lớn số giờ tính toàn cần thiết, tức khoảng 80 triệu giờ, được chạy trên hệ thống Frontera của TACC cùng một hệ thống Dell dựa trên CentOS Linux 7 với sức mạnh tính toán 23,5 Petaflops, hiện đang xếp thứ 13 trong danh sách Top 500 siêu máy tính. Frontera sử dụng 448.448 nhân CPU từ 16.016 bộ xử lý Xeon Platinum 8280 của Intel. Xeon Platinum 8280 là một CPU tương đương thế hệ Broadwell sở hữu 28 nhân Intel chạy ở tốc độ xung nhịp 2,7GHz. 20 triệu giờ mô phỏng còn lại được tính toán trên Open Science Grid của NSF, vốn tận dụng các chu kỳ CPU không sử dụng theo kiểu máy tính phân tán để mở khóa khả năng tính toán mà không cần triển khai siêu máy tính và cơ sở hạ tầng liên quan tốn kém.
Geoffrey Bower – một nhà khoa học liên quan đến dự án EHT thuộc Viện Thiên văn và Vật lý thiên văn của Đài Bắc – cho biết: “Chúng tôi đã rất ngạc nhiên bởi kích thước của vòng trùng khớp với những dự đoán từ Thuyêt Tương đối Rộng của Einstein. Những quan sát chưa từng có này đã cải thiện đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về những gì xảy ra ở chính trung tâm thiên hà và cung cấp các hiểu biết mới về cách những lỗ đen khổng lồ này tương tác với môi trường xung quanh chúng.”
Nỗ lực của các nhà nghiên cứu chắc chắn sẽ được tăng gấp đôi sau sự thành công phi thương này. Họ hiện đang lên kế hoạch thực hiện một điều gì đó phi thường hơn nữa: thay vì chỉ có một hình ảnh tĩnh, bước tiếp theo là sẽ quay phim lỗ đen trong suốt một khoảng thời gian, ghi lại quá trình “nhảy múa” của các photon dạng hạt và sóng cùng lúc nhằm để hiện động lực học của lỗ đen.