Báo cáo bài tập lớn vật lý 2 Đề tài vật chất tối – năng lượng tối

Hiểu biết về năng lượng tối bắt đầu từ những năm 1990 khi các nhà thiên văn học phát hiện rằng vũ trụ không chỉ giãn nở mà còn giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh.. Nghiên cứu về vật chất

DAI HOC QUOC GIA THÀNH PHỎ HÒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BAO CAO BAI TAP LON VAT LY 2

Dé tai: VAT CHAT TOI - NANG LUONG TOI

GVHD: Thay Nguyen Trung Hau

Cô Nguyễn Thị Minh Hương

Lớp: L09 Nhóm: 28

DAI HOC QUOC GIA THÀNH PHỎ HÒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BAO CAO BAI TAP LON VAT LY 2

Dé tai: VAT CHAT TOI - NANG LUONG TOI

GVHD: Thầy Nguyễn Trung Hậu

Cô Nguyễn Thị Minh Hương

MỤC LỤC

)90:8)/10198:)n):ẮẠ.: ”- ÔÒỎ 6 9) 8V/ V007 )A/)1 0 :i:::-4 ôÔỎ 7 7080/9710 —^< ÔỎ 9 17.90090800 19020101.:Ỉ|äÄ ÔỎ 10 CHƯƠNG I: VẬT CHẤT TÔI 5-5-5552 S52 S*3 ve EeEeEeEeErererreerrreerrrerereree 10

1 Khái niệm vật chất tối - 5-5 ch *vrrxrrerkrrrerrrerererrrerrre 10

2 Dac diém ctia Vat ChAt tOis ccccccccscscecsscsesesescsesescecsseseecececasseeeseeneesaeseatisenentens 10

3 Dau hiéu cita vat chat tOis .cccccccsscscesssesescsessenesceescaescscssenensetscatscaeeessenensases 10

3.2 Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn: . - +2: +s+s++S+z+e+eE+xzeeexeeeexesrsreezererers 10 3.3 Sự phân bố của các cum thién haz .cccceseccsesseecsesececeesececsessceesceecaeseseceeseseees II

90:0019)19072 7.91050095021907 39 Ả 13

2 Naing o0 6/7 dd |A ÔỎ 13

3 _ Những đặc điểm của năng lượng tối: . -5- 52 cc+c+ecessreeeeereererecee 15

4.1 Siêu tân tĩnh - << nọ Hà To KT KH To ĐK 15

5 Các mô hình lý thuyết về Năng lượng tối . ©5555 <c+c+ceseerecsz L7

SN ca 0U IHHH 17

5.3 Ly thuyét stra d6i trong LUC cececscscsseecseseseeecsesscsesesecscsesecassenecaeseceeassetecseasenes 17

6 Ứng 00) Ế rr I nn ốẻ ốee 18

6.1 Thúc Đây Vii Tru Hoc va Vat Ly Thién Vain ccccccscsceeceseeseecseeecseseeeeeesesees 18

D0700 951000/.00 00 .T|ÄA ÔỎ 19 900i 300) 790804 70157 .(dQqQŒL:|ÖỔÂÕÂÕ ôÔỎ 20

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Tỷ lệ thành phần của vũ trụ 2-2 S222 S223 té xxx xen 14

TOM TAT BAI VIET Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài:

1 Nghiên cứu về năng lượng tối:

Năng lượng tối là một lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu trong vũ trụ học hiện đại, đóng vai trò quyết định trong việc giải thích sự giãn nở ngày cảng nhanh của vũ trụ Hiểu biết về năng lượng tối bắt đầu từ những năm 1990 khi các nhà thiên văn học phát hiện rằng vũ trụ không chỉ giãn nở mà còn giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh Nhiều lý thuyết đã được đề xuất để giải thích hiện tượng này, bao gồm

mô hình năng lượng tối như quintessence và các lý thuyết sửa đôi trọng lực như thuyết fR) hoặc các kịch bản brane-world

2 Nghiên cứu về vật chất tối:

Vật chất tôi là một thành phần thiết yêu của vũ trụ mà chúng ta chưa thể quan sát trực tiếp, chỉ có thể suy luận sự tồn tại của nó qua ảnh hưởng hấp dẫn Các ứng

cử viên phổ biến cho vật chất tối bao gồm WIMP (hạt nặng tương tác yếu), axion, neutrino vô trùng, và các vật thể nhỏ đặc (MACHO) Các thí nghiệm nghiên cứu vật chất tối rất tốn kém và phức tạp, đòi hỏi nhiều năm hoặc thậm chí nhiều thập

kỷ để có thể hiểu rõ bản chất của nó

- Trong bải báo cáo này, nhóm đã:

tổng quan về các khái niệm, tính chất và vai trò của năng lượng tôi và vật chất tối trong vũ trụ

quan trọng và các thách thức hiện tại trong việc nghiên cứu hai thành phần

nay cua vu tru

e Phan tich va danh gia vé cdc mé hinh ly thuyét khac nhau, tir d6 dé xuat

hướng nghiên cứu tiếp theo và những công nghệ cần phát triển dé tiếp cận sâu hơn vào bí ân của năng lượng tối và vật chất tối

- Kết quả đạt được:

e©_ Báo cáo đã thành công trong việc cung cấp một bức tranh tông quan về tình hình nghiên cứu hiện tại, giúp người đọc có cái nhìn rõ ràng về sự phát triển và những thách thức trong lĩnh vực này

dé tiép tuc kham pha cac bi ấn của vũ trụ, thúc đây sự tiễn bộ trong lĩnh vực vũ trụ học và vật lý thiên văn

PHẢN MỞ ĐẦU

Trong suốt lịch sử, con người luôn bị cuốn hút bởi những bí ân của vũ trụ Từ những buôi đêm đầu tiên ngắm sao trời cho đến khi công nghệ tiên tiền cho phép chúng ta quan sát sâu vào không gian, chúng ta đã liên tục khám phá và hiểu biết ngày cảng nhiều về

vũ trụ rộng lớn Trong hàng thế ky, các nhà khoa học đã nỗ lực đề hiều rõ cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ Từ việc nhận ra răng Trái Đất không phải là trung tâm của vũ trụ đến việc phát hiện ra rằng vũ trụ đang giãn nở, quá trình khám phá đã thay đổi hoàn toàn cách chúng ta nhìn nhận thế giới xung quanh Khi quan sát các thiên hà và các cụm thiên

hà, các nhà khoa học nhận ra rằng khối lượng của những gì chúng ta có thê thấy chỉ chiếm một phần rất nhỏ của toàn bộ khối lượng trong vũ trụ Vũ trụ của chúng ta không chỉ bao gồm những thứ có thể nhìn thấy được bằng mắt thường hay qua các thiết bị quan sát thông thường Trên thực tế, những thành phần quan trọng và lớn nhất của vũ trụ lại hoàn toàn vô hình và chưa được hiểu rõ Hai trong số những thành phần bí ân và chiếm

tỷ lệ lớn nhất là vật chất tôi (dark matter) và năng lượng tối (dark energy)

Trong vũ trụ học hiện đại, năng lượng tối và vật chất tôi đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về cấu trúc và sự tiễn hóa của vũ trụ Mặc dù chúng chiếm đến khoảng 95% tông khối lượng và năng lượng của vũ trụ, nhưng cả năng lượng tối và vật chất tối vấn là những bí ân lớn chưa được giải mã hoàn toàn Năng lượng tôi được cho là nguyên nhân gây ra sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ, trong khi vật chất tối giúp duy trì cầu trúc của các thiên hà thông qua lực hấp dẫn

Nghiên cứu về năng lượng tôi và vật chất tối không chỉ là một hành trình khám phá khoa

học mà còn mở ra những cơ hội tiềm tang cho công nghệ và tri thức nhân loại Báo cáo này sẽ tông quan những kiến thức hiện tại về năng lượng tối và vật chất tối, trình bày các phương pháp nghiên cứu, và thảo luận về những phát hiện mới nhất cùng với những thách thức và triển vọng trong tương lai

Hy vọng rằng thông qua báo cáo này, chúng em không chỉ mang đến một cái nhìn sâu sắc và toàn diện về chủ đề năng lượng tối và vật chất tối mà còn khơi dậy niềm đam mê

và hứng thú nghiên cứu cho những ai quan tâm đến lĩnh vực vũ trụ học

1

PHẢN NỘI DUNG CHUONG 1: VAT CHAT TOI

Khai niém vat chat toi Vật chất tối là các vật chất giả thuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa hiểu được, vật chất tối chiếm tới 70% vật chất bên trong vũ trụ Vật chất tôi không tương tác trực tiếp với ánh sáng hoặc chưa phản xạ đủ bức xạ điện từ đề có thê quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bi đo đạc hiện đại ngày nay, thế nhung sy ton tại của no van co thê được nhận ra từ những ảnh hưởng hâp dân của nó tới các chât răn

và vật chât sáng, bao gõm các thiên hà, cụm thiên hà cũng như toàn vũ trụ

2

3

Đặc điểm của vật chất tối:

Không thể nhìn thấy: Vật chất tối không tương tác với ánh sáng hoặc bức xạ điện

từ theo cách mà vật chất thông thường làm, khiến nó vô hình đối với các thiết bị quan sát hiện tại

Lực hấp dẫn: Vật chất tôi tạo ra lực hấp dẫn, ảnh hưởng đến chuyển động của các thiên hà, cụm thiên hà và cầu trúc của vũ trụ

Thành phan: Bản chất của vật chất tối vẫn chưa được biết Các nhà khoa học đã

đề xuất nhiều ứng viên tiềm năng, nhưng chưa có ứng viên nào được xác nhận Dâu hiệu cua vat chat toi:

3.1 Tốc độ quay của các thiên hà:

Các nhà khoa học phát hiện ra rằng nếu giải thích trên lực hấp dẫn thì các hành tinh bên trong thiên hà sẽ quay rất chậm so với thực tế, như vậy các nhà khoa học

đã đề xuất rằng có vật chất vô hình nào đó không tương tác trực tiếp với ánh sáng tạo ra thêm lực hấp dẫn giúp giữ cho các ngôi sao quay với tốc độ có thê quan sát được

Họ đã tính toán rằng, lượng vật chất tối cần thiết đề giải thích chuyên động của các thiên hà phù hợp với lượng vật chất tối ước tính từ hiệu Ứng thấu kính hấp

dẫn

3.2 Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn:

Là một hiện tượng thiên văn xảy ra khi ánh sáng từ một vật thê bị bẻ cong bởi lực hap dan của một vật thê khác, tạo ra hình ảnh méo mó của vật thê xa xôi

10

Hiệu ứng này tương tự như cách một thấu kính quang học bẻ cong ánh sáng để tạo ra hình ảnh, trong đó, hiện tượng tiêu biểu là “vòng cung Einstein” Các nhà thiên văn học đã quan sát được nhiều trường hợp "vòng cung Einstein",

và sự phân bồ và hình dạng của các vòng cung này phủ hợp với dự đoán của mô hình vũ trụ có chứa vật chất tối

3.3 Sự phân bố của các cụm thiên hà:

Các cụm thiên hà là những tập hợp không lồ gồm nhiều thiên hà liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn

Các nhà khoa học phân tích cấu trúc chỉ tiết của các thiện hà thì thay rằng, chúng

có nhiều vật chất hơn so với những chất có thê nhìn thấy như sao và khí

Từ đây cho thay sự hiện diện của của vật chất tối, bao quanh và len lõi giữa các thiên hà trong cụm

Những ứng viên tiềm năng cấu thành nên vật chất tối

đề xuất nhiều ứng cử viên khác nhau, bao gồm:

nhất cho vật chất tối WIMP là những hạt hạ nguyên tử tương tác rất yếu với

vật chất bình thường, khiến chúng khó phát hiện

đề trong vật lý học Axion cũng có thê là một thành phần của vật chất tối e© - Neutrino vô trùng: Neutrino là những hạt hạ nguyên tử có khối lượng rất nhỏ Neutrino thông thường có thê tương tác với vật chất bình thường, nhưng các nhà khoa học tin răng có thể tổn tại một loại neutrino vô trùng không tương tác Neutrino vô trùng có thể là một thành phần của vật chất tối

nhỏ, đặc, chăng hạn như sao lủn nâu hoặc sao lùn trắng MACHO có thể là một phần của vật chất tối, nhưng chúng không thể giải thích toàn bộ lượng vật chất tối mà chúng ta quan sát thấy

II

Baryon tối: Baryon là những hạt tạo nên proton và neutron Một số nhà khoa học tin rằng có thể tồn tại một dạng baryon mới không phát ra ánh sáng, có thê góp phần tạo nên vật chất tối

5 Các thách thức và tiêm năng về việc nghiên cứu về vật chất tôi:

5.1 Thach thức

Vật chất tối rất khó phát hiện và nghiên cứu vì nó không tương tác với vật chất bình thường theo cách mà chúng ta có thể đo lường được

Các thí nghiệm nghiên cứu vật chất tối thường rất tốn kém và phức tạp

Có thê phải mất nhiều năm hoặc thậm chí nhiều thập kỷ nữa trước khi chúng

ta có thê hiệu rõ bản chất của vật chất tôi

5.2 Tiềm năng:

Hiểu biết sâu sắc hơn về vũ trụ Phát triển công nghệ mới

Thay đổi cách nhìn nhận vũ trụ

Truyền cảm hứng cho thế hệ sau Thúc đây đôi mới và tăng trưởng kinh tế Nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của khoa học và giáo dục Giải quyết các vân đê toàn câu như biên đôi khí hậu và bệnh tật

12

CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG TÓI

Năm ân sâu trong cõi vô tận của vũ trụ, ấn chứa một bí ân mà khoa học hiện đại vẫn đang chật vật giải mã - năng lượng tối Chiếm khoảng 68% của vũ trụ, năng lượng tối đóng vai trò chủ đạo trong việc điều khiến sự giãn nở với tốc độ ngày cảng tăng của vũ trụ, đồng thời định hình số phận sau cùng của nó Tuy nhiên, bản chất và nguồn gốc của năng lượng tối vẫn còn là một ân số, thôi thúc các nhà khoa học trên toàn cầu dẫn thân

vào cuộc hành trình tìm kiếm lời giải đáp

1 Sự ra đời của của khái niệm năng lượng tối

Hành trình hiểu biết về năng lượng tối bắt đầu từ việc khám phá vũ trụ giãn nở Vào thập niên 1990, các nhà thiên văn học sửng sốt trước một khám phá phi thường: dựa trên chuyền động của các thiên hà xa xôi, họ nhận ra rằng vũ trụ không chỉ đang giãn nở mà còn đang tăng tốc độ giãn nở Khám phá này chủ yếu được gán cho Edwin Hubble, người đã chứng minh vào năm 1929 mối quan hệ giữa dịch chuyển đỏ của các thiên hà

và khoảng cách của chúng Định luật Hubble đã thay đôi căn bản nhận thức của chúng

ta về vũ trụ, dẫn đến sự phát triển của lý thuyết Vụ Nỗ Lớn (Big Bang) Điều này mâu thuẫn với lý thuyết trước đây cho rằng lực hấp dẫn của vật chất sẽ làm chậm tốc độ giãn

nở theo thời gian Đề giải thích hiện tượng này, một khái niệm mới đã được ra đời: năng lượng tối

Hinh I.1 Mô phỏng sự giãn nở của vũ trụ

Nguồn: Vật lý địa cầu - hemus

2 Năng lượng tối là gì?

13

Năng lượng tối là đạng năng lượng không phát sáng, có áp suất âm và phân bó dàn trãi trong vũ trụ Theo những số đo của kính thiên văn vũ trụ Hubble, năng lượng tối đang day vũ trụ giãn ra, dường như là năng lượng không đổi mà Albert Einstein từng dự đoán Năng lượng này là một dạng năng lượng lạ, tác động theo cách đối lập với năng lượng hấp dẫn Năng lượng tối làm cho các thiên hà trong vũ trụ di chuyền ra xa nhau với tốc độ ngày càng tăng Einstein đã ám chỉ năng lượng này bằng một hằng số gọi là "hằng số vũ trụ" Lý thuyết của ông cho rằng vũ trụ không có năng lượng tối sẽ tự sụp đỗ do suy sụp hấp dẫn nên sự tồn tại của năng lượng tối là để làm cho vũ trụ cân bằng với lực hấp dẫn bình thường và làm cho nó khỏi tự sụp đô Cuối cùng, Einstein đã bác bỏ lý thuyết này do những quan sát thiên văn của Hubble chứng

tỏ vũ trụ đang giản nở Tuy nhiên, những quan sát về các vụ nô siêu tân tinh hay những ngôi sao xa nỗ tung cách đây từ lâu, đã tăng thêm tính tin cậy của lý thuyết trên Các nhà khoa học cho răng chính năng lượng tối là nguyên nhân làm vũ trụ giãn ra và tăng tốc độ Theo tính toán của các nhà khoa học, năng lượng tối chiếm khoảng 68% vũ trụ, vật chất tối chiếm khoảng 27% vũ trụ, còn lại 5% là vật chất mà chúng ta thấy được hiện nay

Năng lượng tối được định nghĩa là một dạng năng lượng bí ân, bao trùm khắp không gian vũ trụ và sở hữu khả năng chống lại lực hấp dẫn, khiến cho vũ trụ giãn nở với tốc

độ ngày cảng tăng Nó không tương tác trực tiếp với vật chất thông thường, mà chỉ thể hiện tác động thông qua lực hấp dẫn Năng lượng tối được xem là một thành phân thiết yêu của vũ trụ, đóng vai trò chủ đạo trong việc định hình sự tiên hóa của nó

Năng lượng tôi

Hình 2.I Tỷ lệ thành phần của vũ trụ

Nguồn: Wikipedia

14