đề tài vật chất tối và năng lượng tối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

TÊN ĐỀ TÀI :

ØVẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI

GVHD:Cô Nguyễn Thị Minh Hương Cô Phạm Thị Hải Miền

Nhóm: 28Lớp: L09

TP.HCM - HỌC KÌ 232

MỤC LỤCCHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 4

1.1 Giới thiệu 4

CHƯƠNG 2: VẬT CHẤT TỐI 5

2.1 Khái niệm 5

2.2 Bản chất 5

2.3 Quá trình tìm thấy vật chất tối 5

2.4 Thành phần tạo nên vật chất tối 7

2.5 Bằng chứng cho sự tồn tại của vật chất tối 7

2.6 Phân loại vật chất tối 8

a) Vật chất tối lạnh ( Cold dark matter -CDM) 8

b) Vật chất tối nóng (Hot dark matter-HDM) 9

c) Vật chất tối ấm (Warm dark matter-WDM) 9

CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG TỐI 10

3.1 Khái niệm cơ bản 10

CHƯƠNG 5: HÌNH ẢNH VỀ VẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI 17

5.1 Hình ảnh hai thiên hà Abell 222 và Abell 223 17

a) Ưu điểm của vật chất tối 21

b) Nhược điểm của vật chất tối 21

6.2 Năng lượng tối 21

6.3 Hướng phát triển trong tương lai 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

Danh sách ảnh:Hình 1.1: Thiên hà như được nhúng trong đám mây vật chất tối có dạng cầu 6

Hình 3.1: Tỷ lệ thành phần vũ trụ 10

Hình 5.1: Hai cụm thiên hà Abell 17

Hình 5.2: Thấu kính của Kính viễn vọng 18

Hình 5.3: Bản đồ vật chất tối 19

Hình 5.4: Vật chất tối được lập bởi bản đồ 20

Ví dụ, năng lượng điện, mặc dù không thấy được bằng mắt thường, lại là lựclượng quan trọng điều khiển hầu hết các thiết bị trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.Tương tự, suy nghĩ, mặc dù không vật chất, lại tạo ra và điều khiển mọi hoạt động củachúng ta

Trong phạm vi lớn hơn, toàn bộ vũ trụ của chúng ta cũng bị ảnh hưởng và điềukhiển bởi những yếu tố không thể quan sát được, như lực hấp dẫn, lực điện từ và nănglượng tối - một dạng năng lượng mạnh mẽ mà chúng ta vẫn chưa thể hiểu rõ Ngoài ra, vũtrụ còn chứa đựng các dạng vật chất đặc biệt, nhưng chúng chỉ chiếm một phần nhỏ sovới tổng thể

Dù cuộc sống hàng ngày của chúng ta trên Trái Đất có vẻ như là thực tế, nhưngchúng ta không thể phủ nhận rằng đó chỉ là một phần nhỏ của vũ trụ to lớn Điều quantrọng hơn, hầu hết các yếu tố quan trọng chi phối vũ trụ lại tồn tại ở dạng không thể quansát trực tiếp, điều này khiến cho chúng ta chỉ có thể trải nghiệm một phần nhỏ của thực tếvà thậm chí phải dựa vào giả thuyết để hiểu về chúng

Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về một loại năng lượng và một loại vật chất vô hình,bí ẩn đang chi phối toàn bộ vũ trụ khiến cho các thiên hà đang ngày càng một rời xa nhauhơn mà đến ngay cả vận tốc ánh sáng cũng không thể sánh được

Chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu về “Vật chất tối" và “Năng lượng tối”

2.2 Bản chất

Theo sự đo đạc của các nhà khoa học, vật chất tối chiếm khoảng 27% trong vũ trụ.Vật chất tối có thể được tạo thành từ vật chất baryon hoặc non-baryon Chúng không hấpthụ quang phổ điện từ, không phát xạ trong quang phổ điện từ, không phản xạ, khôngtương tác với quang phổ điện từ.

2.3 Quá trình tìm thấy vật chất tối

Chúng không có tác dụng với những tính chất “dùng để phát hiện sự vật” Vậy làmthế nào để chúng ta biết được sự tồn tại của nó? Câu trả lời đó là: chúng ta quan sát Đâylà một câu trả lời nghe có vẻ vô lí nhưng phần sau chúng ta sẽ thấy tính thuyết phục củanó Trước tiên cần nhắc lại một vài điều, mọi vật có khối lượng đều có lực hấp dẫn, khốilượng càng lớn thì lực hấp dẫn càng đáng kể Các nhà khoa học có thể tính được khốilượng xấp xỉ của một thiên hà (hoặc các vật thể khổng lồ khác trong vũ trụ) thông quaviệc nghiên cứu sự chuyển động của chúng và hết hồn khi phát hiện thực tế thiên hà nặnghơn rất nhiều lần so với những gì chúng ta nhìn thấy.

Hãy cùng hình dung, khi nhìn vào một thiên hà ta thấy nó xoáy vào giữa trungtâm, điều đó làm ta nghĩ vật chất ở trung tâm sẽ chuyển động nhanh hơn so với vật chất ởrìa thiên hà Các nhà thiên văn khảo sát các thiên hà xoáy ốc kì vọng sẽ thấy được phầnvật chất ở trung tâm thiên hà chuyển động nhanh hơn nhưng họ lại ngạc nhiên khi thấy

vận tốc của sao ở trung tâm thiên hà gần như bằng với những ngôi sao ở ngoài rìa, điềuđó chứng tỏ khối lượng của thiên hà phải nặng hơn những gì nhìn thấy và các ngôi sao ởngoài rìa thiên hà đã chịu lực hấp dẫn của những vật chất vô hình.

Giáo sư vật lí Patricia Burchat đại học Stanford từng trình bài trong buổi nóichuyện của chương trình TED rằng các thiên hà như được nhúng vào một đám mây vậtchất tối vô hình (hình 1) và đám mây vật chất này có dạng cầu trải rộng ra nhiều so vớithiên hà, đám mây vật chất này chi phối cấu trúc động lực học của cả thiên hà.

Hình 1.1

Ở mức độ vĩ mô hơn các thiên hà có xu hướng co cụm lại thành các cụm thiên hàchứa hơn hàng ngàn thiên hà Các thiên hà di chuyển với tốc độ rất lớn, chúng di chuyểntrong trường hấp dẫn của cụm thiên hà Các nhà khoa học có thể đo vận tốc quỹ đạo củacác thiên hà và tính được mật độ của cụm thiên hà và lại bất ngờ khi số lượng thiên hàtrên thực tế (đáng lẽ) phải nhiều hơn so với số lượng các thiên hà mà ta đang nhìn thấytrong cụm thiên hà do đó cụm thiên hà hẳn cũng được nhúng trong đám mây vật chất tốixin nhắc lại là đám mây có dạng cầu Quay lại với câu trả lời chúng ta biết vật chất tối tồntại vì chúng ta quan sát nó Dĩ nhiên, chúng ta không tài nào quan sát trực tiếp đượcchúng nhưng chúng ta có thể quan sát được ảnh hưởng của chúng lên vật chất mà chúng

ta nhìn thấy, như việc bạn không thể thấy được đường sức từ của nam châm nhưng bạnthấy được tác động của nó lên mạt sắt (trong thí nghiệm) và biết nó có tồn tại.

2.4 Thành phần tạo nên vật chất tối

Vật chất tối hoàn toàn vô hình Nó không phát ra ánh sáng hoặc năng lượng và dođó không thể được phát hiện bởi các cảm biến và máy dò thông thường Các nhà khoahọc cho rằng chìa khóa cho bản chất khó nắm bắt của nó phải nằm ở thành phần của nó.

Vật chất nhìn thấy được, còn gọi là vật chất baryonic, bao gồm các baryon – tênbao quát cho các hạt hạ nguyên tử như proton, neutron và electron Các nhà khoa học chỉsuy đoán vật chất tối được tạo thành từ đâu Nó có thể bao gồm các baryon nhưng cũngcó thể không phải baryon, nghĩa là bao gồm nhiều loại hạt khác nhau.

Hầu hết các nhà khoa học cho rằng vật chất tối được cấu thành từ vật chất phibaryon Ứng cử viên chính, WIMPS (hạt nặng tương tác yếu), được cho là có khối lượnggấp 10 đến 100 lần khối lượng proton, nhưng tương tác yếu của chúng với vật chất “bìnhthường” khiến chúng khó bị phát hiện Một ứng cử viên khác là axion, một hạt có khốilượng bằng 1/10 nghìn tỷ electron

2.5 Bằng chứng cho sự tồn tại của vật chất tối

Các ngôi sao quay quanh trung tâm thiên hà, hơi giống các hành tinh quay quanhmột ngôi sao Vào những năm 1930, các nhà thiên văn học lần đầu tiên nhận thấy rằngmột số cụm thiên hà quay nhanh hơn mức cần thiết – nếu chúng chỉ chứa các ngôi sao,khí, bụi và vật chất khác mà chúng ta có thể nhìn thấy Phải có thứ gì đó khác, thứ gì đómà chúng ta không thể nhìn thấy, có tác dụng bổ sung trọng lực và hoạt động như mộtchất keo để các thiên hà có thể quay nhanh đến mức mà không bị tách rời Thứ đó là vậtchất tối.

Nói cách khác, phải có thứ gì đó giữ hệ mặt trời, các thiên hà và các cụm thiên hàcủa chúng ta lại với nhau Vật chất tối là chất keo vô hình giữ các ngôi sao, bụi và khí lạivới nhau trong thiên hà Chất bí ẩn này chiếm phần lớn khối lượng của thiên hà và tạothành nền tảng cho cấu trúc Vũ trụ của chúng ta.

Bởi vì vật chất tối không phát ra, hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng nên chúng ta hầunhư chỉ biết nó ở đó do “lực hấp dẫn” của nó tác dụng lên vật chất nhìn thấy được trongkhông gian Hãy nghĩ về nó theo cách này: Ở đây trên Trái đất, lực hấp dẫn của hành tinhchúng ta giúp chúng ta không thể bay ra khỏi mặt đất và lực hấp dẫn của Mặt trời giữ chohành tinh của chúng ta quay theo lịch trình 365 ngày Vì Mặt trời là vật thể có khối lượnglớn nhất trong hệ mặt trời nên lực hấp dẫn của nó khiến các hành tinh, tiểu hành tinh vàsao chổi quay quanh nó Các vật thể ở xa Mặt trời có quỹ đạo chậm hơn vì chúng ít chịulực hấp dẫn của ngôi sao trung tâm của chúng ta.

Thiên hà của chúng ta có khoảng 100 tỷ ngôi sao và Mặt trời của chúng ta chỉ làmột trong số đó Thiên hà cũng có rất nhiều khí gas, nơi các ngôi sao được hình thành.Tất cả những thứ này đều xoay quanh trung tâm thiên hà Nếu không có gì khác trongthiên hà ngoài các ngôi sao, hành tinh và khí gas, thì những ngôi sao ở xa trung tâm nhấtsẽ quay chậm hơn những ngôi sao ở gần trung tâm hơn Nhưng kính thiên văn đã pháthiện ra rằng điều này không đúng Những ngôi sao ở xa hơn thực sự quay nhanh hơn.Cách duy nhất các nhà khoa học có thể giải thích điều này là “liệu có vật chất tối haykhông”.

2.6 Phân loại vật chất tối

a) Vật chất tối lạnh ( Cold dark matter -CDM)

Trong vũ trụ học và vật lý, vật chất tối lạnh (CDM) là một loại vật chất tối giảthuyết Theo mô hình vũ trụ tiêu chuẩn hiện nay, mô hình Lambda-CDM, khoảng 27% vũtrụ là vật chất tối và 68% là năng lượng tối, chỉ một phần nhỏ là vật chất baryonic thôngthường tạo nên các ngôi sao, hành tinh và sinh vật sống.Vật chất tối lạnh(CDM) là mộtloại vật chất tối, nếu tồn tại sẽ di chuyển chậm so với tốc độ ánh sáng Nó được cho là đãcó mặt trong vũ trụ ngay từ thuở sơ khai và rất có thể đã ảnh hưởng đến sự phát triển vàtiến hóa của các thiên hà.

Có giả thuyết chỉ ra rằng nó tương tác rất yếu với vật chất thông thường và bức xạđiện từ Các ứng cử viên cấu thành được đề xuất cho CDM bao gồm các hạt lớn tươngtác yếu(WIMPS), và axin.

b) Vật chất tối nóng (Hot dark matter-HDM)

Vật chất tối nóng (HDM) là một dạng lý thuyết của vật chất tối có thể bao gồmcác hạt hạ nguyên tử trung tính di chuyển với tốc độ bằng hoặc gần tốc độ ánh sáng gọi làneutrino.

Neutrino có khối lượng rất nhỏ và không tham gia vào hai trong số bốn lực cơ bảnlà tương tác điện từ và tương tác mạnh Chúng tương tác bằng tương tác yếu và rất có thểlà lực hấp dẫn, nhưng do cường độ yếu của các lực này nên chúng rất khó phát hiện Mộtsố dự án, chẳng hạn như đài quan sát neutrino Super-Kamiokande ở Gifu, Nhật Bản hiệnđang nghiên cứu các neutrino này.

c) Vật chất tối ấm (Warm dark matter-WDM)

Vật chất tối ấm (WDM) là một dạng vật chất tối được giả thuyết có các tính chấttrung gian giữa vật chất tối nóng và vật chất tối lạnh, khiến cho sự hình thành cấu trúcxảy ra từ dưới lên trên thang đo dòng chảy tự do của chúng và từ trên xuống bên dướithang đo dòng chảy tự do của chúng

Các hạt cấu thành vật chất tối ấm phổ biến nhất là neutrino vô trùng và gravitino.Các WIMP (các hạt lớn tương tác yếu), khi được tạo ra không tỏa nhiệt, có thể là chất cấuthành vật chất tối ấm.

CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG TỐI

3.1 Khái niệm cơ bản

Trong vũ trụ học vật lý và thiên văn học, năng lượng tối là một dạng năng lượng chưabiết rõ chiếm phần lớn vũ trụ, có áp suất âm và dàn trải khắp không gian Năng lượng nàylà một dạng năng lượng lạ, tác động theo cách đối lập với năng lượng hấp dẫn làm chocác thiên hà trong vũ trụ di chuyển ra xa nhau với tốc độ ngày càng tăng Năng lượng tốilà thuyết được chấp nhận nhiều nhất kể từ những năm 1990, chỉ ra rằng vũ trụ đang giãnnở với vận tốc tăng dần Theo tính toán của các nhà khoa học, năng lượng tối chiếmkhoảng 68,3% vũ trụ, vật chất tối chiếm khoảng 26,8% vũ trụ, còn lại 4,9% là vật chấtmà chúng ta thấy được hiện nay

- Một nhu cầu trong lý thuyết về một loại năng lượng mà không là vật chất hay vậtchất tối để hình thành nên vũ trụ phẳng nhìn thấy được (sự thiếu vắng của bất kỳ độcong nào).

- Có thể được suy ra khi tính toán các mô hình sóng cỡ lớn của tỷ trọng vật chất củaVũ trụ.

Vật chất tối dàn trải rất đồng đều, không quá dày và chưa bao giờ được nhìn thấytiếp xúc hay phản ứng với các lực cơ bản ngoài trọng lực.

3.3 Bằng chứng cho sự tồn tạia) Siêu tân tinh

Năm 1998, một quan sát được thực hiện trên một Siêu tân tinh loại Ia (Một A) bởiĐội Tìm kiếm Siêu tân tinh High-Z với Dự án Siêu tân tinh chỉ ra rằng tốc độ giãn nở củaVũ trụ đang tăng dần Giải Nobel năm 2011 trong lĩnh vực Vật Lý được trao cho SaulPerlmutter, Brian P Schmidt và Adam G Riess vì vai trò tiên phong trong phát hiện trên.Từ đó, các quan sát trên đã được chứng thực bởi hàng loạt các nguồn tự do Tínhtoán phông vi sóng Vũ trụ, hội tụ hấp dẫn và các cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ cũngnhư là các tính toán nâng cao trên các siêu tân tinh cùng nhất quán với mô hình Lamda-CDM.

b) Phông vi sóng vũ trụ

Một số người đã tranh luận rằng bằng chứng duy nhất chứng tỏ được sự tồn tại củamột loại năng lượng như năng lượng tối là từ các quan sát trên việc tính toán khoảng cáchvà các dịch chuyển đỏ tương quan Bất đẳng hướng phông vi sóng vũ trụ và dao động âmthanh baryon là các quan sát duy nhất có dịch chuyển đỏ lớn hơn dự tính từ một Vũ trụFriedmann-Lemaître nhỏ xíu và Hằng số Hubble.

Sự tồn tại của năng lượng tối, trong bất kỳ hình thức nào, đều cần thiết để dunghòa các tính toán hình học của Vũ trụ với tổng vật chất trong Vũ trụ Tính toán về bấtđẳng hướng phông vi sóng Vũ trụ chỉ ra rằng Vũ trụ gần như phẳng Để hình dáng củaVũ trụ có thể có dạng phẳng, tỷ trọng vật chất/năng lượng của Vũ trụ phải gần bằng tỷtrọng mật độ tới hạn Tổng vật chất trong Vũ trụ (bao gồm cả các hạt baryon và vật chấttối), đã tính được qua quang phổ trong phông vi sóng, tính được chỉ có 30% mật độ giớihạn Điều này nói lên rằng sự tồn tại của một dạng năng lượng khác chỉ còn 70% Tàu vũtrụ Planck trên phông vi sóng đã đưa ra kết quả là 68.3% năng lượng tối, 26.8% vật chấttối và 4.9% vật chất thường.

CHƯƠNG 4: THUẬT NGỮ

[1] Dao động điện từ: (hay sóng điện từ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từtrường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng Sóng điện từ cũng bịlượng tử hoá thành những "đợt sóng" có tính chất như các hạt chuyển động gọi là photon.[2] Thiên hà: là một hệ thống lớn các thiên thể và vật chất liên kết với nhau bằng lực hấpdẫn, bao gồm sao, tàn dư sao, môi trường liên sao chứa khí, bụi vũ trụ và vật chất tối, mộtloại thành phần quan trọng nhưng chưa được hiểu rõ.

[3] Vụ Nổ Lớn: (hay Big Bang) là mô hình vũ trụ học nổi bật miêu tả giai đoạn sơ khaicủa sự hình thành Vũ trụ Theo lý thuyết này, Vụ Nổ Lớn xảy ra cách hiện nay xấp xỉ13,798 0,037 tỷ năm trước và được các nhà vũ trụ học coi là tuổi của vũ trụ

[4] WIMP là viết tắt của Weakly Interacting Massive Particle là những hạt rải đầy trongvũ trụ được đặt ra để giải thích về Vật chất tối.

[5] Axion là một giả thuyết hạt cơ bản được đề xuất bởi các lý thuyết Peccei-Quinn vàonăm 1977 để giải quyết vấn đề CP mạnh trong sắc động lực học lượng tử Nếu axion tồntại và có khối lượng thấp trong một phạm vi cụ thể, họ được quan tâm như là một thànhphần có thể có của vật chất tối lạnh.

[6] Neutrino: là một fermion (một hạt sơ cấp có spin bán nguyên) chỉ tương tác với cáchạt sơ cấp khác thông qua tương tác hạt nhân yếu và tương tác hấp dẫn Khối lượng củaneutrino nhỏ hơn rất nhiều so với khối lượng của các hạt cơ bản khác từng được biết đến [7] Sao lùn trắng: là thiên thể được tạo ra khi các ngôi sao có khối lượng thấp và trungbình "chết" (tiêu thụ hết nhiên liệu phản ứng hạt nhân trong sao).

[8] MACHO: viết tắt của Massive Compact Halo Object.

[9] Hạt sơ cấp (hay elementary particle): là các hạt hạ nguyên tử không có các cấu trúcphụ, không được cấu tạo từ những hạt khác Vì thế hạt sơ cấp được coi là tồn tại như một

hạt nguyên vẹn, đồng nhất, không thể tách thành các phần nhỏ hơn Cho đến thời điểmhiện tại các hạt được cho là sơ cấp bao gồm: Các loại "hạt vật chất"và "hạt phản vật chất" thuộc họ fermion (quark, lepton, phản quark và phản lepton), "các hạt lực" làm trunggian tương tác giữa các hạt fermion thuộc họ hạt boson (gauge bosons và Higgs boson).Một hạt chứa hai hoặc nhiều hạt cơ bản là một hạt tổng hợp.

[10] Baryon hay còn gọi là baryon fermion: là các hạt hadron có spin bán nguyên (do đólà fermion) chứa 3 quark hóa trị và 3 phản quark hóa trị

[11] Hố đen (hay hốc đen): là một vùng không - thời gian có một trường hấp dẫn mạnhđến nỗi không có vật chất nói chung chiếm khối lượng và không gian nhất định hoặc cácbức xạ và ánh sáng nào có thể thoát ra ngoài.

[12] Nguyên tử: là đơn vị cơ bản của vật chất chứa một hạt nhân ở trung tâm bao quanhbởi đám mây điện tích âm các electron.

[13] Trọng lực (hay lực hấp dẫn): lực hấp dẫn là lực hút giữa mọi vật chất và có độ lớn tỷlệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của haivật.

[14] Hệ Mặt Trời: là 1 hệ hành tinh có Mặt Trời ở trung tâm và các thiên thể nằm trongphạm vi lực hấp dẫn của Mặt Trời, tất cả chúng được hình thành từ sự suy sụp của 1 đámmây phân tử khổng lồ cách đây gần 4,6 tỷ năm.

[15] Định luật thứ hai của Kepler: Đường nối một hành tinh với Mặt trời quét qua nhữngdiện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau.

[16] Định lý Virial: Giả sử ta có một hệ các hạt tương tác với nhau và chuyển động cógiới hạn, không hạt nào chạy ra vô cùng (ví dụ như hệ mặt trời) Lúc đó, trung bình củađộng năng T tỷ lệ với trung bình của một đại lượng Clausius gọi là virial.

[17] Thuyết tương đối rộng (hay thuyết tương đối tổng quát): là lý thuyết hình học củalực hấp dẫn do nhà vật lý Albert Einstein công bố vào năm 1916 và hiện tại được coi là lý