Báo cáo bài tập lớn chủ Đề 28 vật chất tối – năng lượng tối và những thông tin liên quan

Hoặc một ví dụ khác là suy nghĩ, suy nghĩ tạo ra và điềukhiển mọi hoạt động của chúng ta và suy nghĩ cũng là một loại năng lượng vô hình.Xét trong phạm vi lớn hơn thì toàn bộ vũ trụ của

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

GV hướng dẫn: Ts Lý Anh Tú – ThS Lê Quốc Khải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TP.HCM, 04/2022

TÓM TẮT BÁO CÁO

Chương trình môn học Vật lý đại cương A2 là chương trình gồm nhiều kiến thức mới mẻ, đi sâu vào nền tảng mà chúng ta chưa được học từ những năm cấp 3, trong đó chương Vật lý hạt nhân – Hạt cơ bản thuộc chương trình này là một đề tài hay và thú vị mang nhiều giá trị nghiên cứu và tính học thuật cao Cùng với sự yêu thích bộ môn Vật Lý cũng như mong muốn tìm tòi học hỏi là lý do nhóm em quyết định chọn đề tài này để thực hiện.

Đề tài được yêu cầu giải quyết, tìm hiểu các thông tin, kiến thức nền tảng chuyên môn về đề tài “Vật chất tối – Năng lượng tối” và minh họa, trình bày sống động bằng chương trình Powerpoint, Word, Để có thể thực hiện tốt các tiêu chí đề ra nhóm em cần tìm hiểu theo nhiều nguồn, nhiều tài liệu cả trong nước lẫn nước ngoài về nền tảng kiến thức và thao tác trên chương trình Song song cũng cần vận dụng những kiến thức đã được các thầy cô giảng dạy để có thể hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

Sau khi thực hiện đề tài, nhóm em đã có cái nhìn sâu sắc hơn về sự gắn kết giữa lý thuyết và thực tế Cũng góp phần cũng cố kiến thức nền tảng

về chuyên đề “Vật chất tối – Năng lượng tối” Bên cạnh đó cũng giúp chúng em tìm hiểu và sử dụng tốt chương trình Powerpoint, nâng cao hiểu biết về sử dụng công nghệ thông tin, áp dụng nhiều trong lĩnh vực học tập và công việc sau này

LỜI MỞ ĐẦU

Vật lý đại cương A2 là môn học có tầm quan trọng đối với sinh viên

ĐH Bách Khoa TPHCM nói riêng và sinh viên các ngành khối khoa học kỹ thuật – công nghệ nói chung Do đó, việc dành cho môn học này một khối lượng thời gian nhất định và thực hành là điều tất yếu

để giúp cho sinh viên có được cơ sở vững chắc về các môn KHTN và làm tiền đề để học tốt các môn khác trong chương trình đào tạo Trong suốt quá trình thực hiện bài tập lớn nói trên, nhóm chúng em

đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và ủng hộ, giúp đỡ tận tình của thầy cô, anh chị và bạn bè Ngoài ra, nhóm cũng xin gửi lời tri ân chân thành đến Thầy Lý Anh Tú và Thầy Lê Quốc Khải, là giảng viên hướng dẫn cho đề tài bài tập lớn này Nhờ có Thầy hết lòng chỉ bảo

mà nhóm đã hoàn thành tiểu luận đúng tiến độ và giải quyết tốt những vướng mắc gặp phải Sự hướng dẫn của thầy cô đã là chìa khóa cho mọi hành động của nhóm và phát huy tối đa được mối quan

hệ hỗ trợ giữa thầy và trò trong môi trường giáo dục

Lời cuối, xin một lần nữa gửi lời biết ơn sâu sắc đến các cá nhân, các thầy cô đã dành thời gian chỉ dẫn cho nhóm Đây chính là niềm tin, nguồn động lực to lớn để nhóm có thể đạt được kết quả này.

Mục lục

Chương 1: Mở đầu:

1 Giới thiệu: 8

a Đường cong thiên hà: 10

b Vận tốc phân tán: 11

c Thấu kính hấp dẫn: 11

b Thí nghiệm DAMA/LIBRA: 15

c Lực tối có tồn tại?: 16

6 Phân loại vật chất tối và ứng dụng: 16

a Vật chất tối nóng (HDM): 16

b Vật chất tối lạnh (CDM): 17

c Vật chất tối ấm (WDM): 18

Chương 3: Năng lượng tối:

1 Khái niệm cơ bản: 19

4 Các mô hình của năng lượng tối: 22

d Mô hình các chiều ngoại phụ (extra dimension): 23

Chương 4: Thuật ngữ: 24

Chương 5: Kết luận: 28

Danh mục hình ảnh Hình 1: Vật chất tối……… 9

Hình 2: Thấu kính hấp dẫn mạnh theo quan sát của Kính viễn vọng không gian Hubble

12

Hình 3: Bản đồ vật chất tối cho một mảng bầu trời dựa trên phân tích thấu kính hấp dẫn của khảo sát Kilo-Degree 12

Hình 4: Bản đồ 3 chiều về sự phân bố vật chất tối quy mô lớn, được tái tạo từ các phép đo của thấu kính hấp dẫn yếu với Kính viễn vọng Không gian Hubble 13

Hình 5: Hạt WIMP 14

Hình 6: Ảnh thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối (hạt WIMP) 15

Hình 7: Sơ đồ mặt cắt của máy dò DAMA/LIBRA với sàng lọc đa lớp 15

Hình 8: Nguồn gốc của “các khối nhỏ hơn, có kích thước thiên hà” 17

Hình 9: Tỉ lệ vật chất vũ trụ 19

Hình 10: Minh họa ba định luật Kepler đối với quỹ đạo hai hành tinh 25

Chương 1: Mở đầu

1.1- Giới thiệu:

Phần lớn vũ trụ chúng ta đang sống được cấu tạo từ các thành phần vô hìnhhoặc quá nhỏ bé để chúng ta có thể nhìn thấy Tuy nhiên những thứ đó lại có tácđộng đến toàn cục hoặc thậm chí là chi phối tất cả mọi thứ và chúng ta cũng ý thứcđược điều này rất rõ ràng Lấy ví dụ như năng lượng điện, đây là một loại nănglượng vô hình chúng ta không thể nào nhìn thấy nhưng chúng chi phối hầu hết cácthiết bị trong nhà chúng ta Hoặc một ví dụ khác là suy nghĩ, suy nghĩ tạo ra và điềukhiển mọi hoạt động của chúng ta và suy nghĩ cũng là một loại năng lượng vô hình.Xét trong phạm vi lớn hơn thì toàn bộ vũ trụ của chúng ta cũng được vận hành

và cấu tạo bởi các loại năng lượng vô hình không thể quan sát như lực hấp dẫn, lựcđiện từ và một loại năng lượng vô cùng lớn đó là năng lượng tối Ngoài ra vũ trụcủa chúng ta còn được cấu tạo bởi các vật chất đặc biệt Như chúng ta thường đượcbiết về vật chất chỉ là các nguyên tử, những ngôi sao, thiên hà, hành tinh, cây, đá,các động vật và con người nhưng những vật chất này chiếm chưa tới 5% trong vũtrụ chúng ta biết Trong đó năng lượng tối chiếm khoảng 70%, khoảng 25% là vậtchất tối và cả hai đều vô hình

Mặc dù cuộc sống của bạn là thực tế, Trái Đất hay Dải Ngân Hà cũng là thực

tế Nhưng chúng ta cũng phải chấp nhận rằng tất cả những gì thực tế đó chỉ là mộtphần rất nhỏ tồn tại trong vũ trụ và quan trọng hơn cả là hầu hết những thứ quantrọng chi phối vũ trụ đều tồn tại ở dạng vô hình không thể quan sát Điều này thật lạ

vì theo đó mọi thứ chúng ta trải nghiệm một phần nhỏ của thực tế, và hơn hết làchúng ta không hề có manh mối nào về chúng, có khi chỉ là những giả thuyếtnhưng chúng ta biết chúng vẫn đang tồn tại

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

Chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu về “năng lượng tối” và “vật chất tối”.

Chương 2: Vật chất tối (Dark Matter)

2.1- Khái niệm cơ bản:

Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối chỉ đến một loại vật chất giảthuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa hiểu được Vật chất tối không phát ra hay

bị đo đạc hiện nay, nhưng có thể nhận ra nó vì những ảnh hưởng hấp dẫn của nó đốivới chất rắn và các vật thể khác cũng như với toàn thể vũ trụ Dựa trên hiểu biết

70% vật chất (vật chất tối + vật chất thường) trong vũ trụ

Hình 1 Vật chất tối

2.2- Quá trình con người tìm thấy vật chất tối:

Năm 1933, Fritz Zwicky phát hiện ra sự xuất hiện của loại vật chất này khi đovận tốc của các thiên hà tròn cụm thiên hà Coma Theo đó có hai cách xác định khốilượng thiên hà

Cách thứ nhất là sự phân tán vận tốc trong cụm thiên hà Thiên hà có khốilượng càng lớn sẽ càng có sự phân tán vận tốc rõ nét ra các thiên hà lân cận

và nhờ đó có thể xác định được tổng khối lượng của cụm thiên hà

Cách thứ hai là xác định độ chói của các thiên hà để rút ra khối lượng củachúng và từ đó tính được tổng khối lượng của cụm

Nhưng khối lượng của một cụm thiên hà tính theo cách thứ nhất luôn lớn hơnnhiều so với khối lượng được tính theo cách thứ hai, không thể do bất cứ sai số nàocủa phép đo

Như vậy có thể suy đoán rằng có sự tồn tại của một loại vật chất còn chưa biết.Chính sự tồn tại của vật chất này mà khối lượng thật của các thiên hà thực chất lớnhơn rất nhiều so với khối lượng có thể quan sát được

2.3- Thành phần vật chất tối:

Vật chất tối cũng có vai trò quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiếnhóa thiên hà, và có ảnh hưởng đo được đến tính không đẳng hướng của bức xạphông vi sóng vũ trụ Các hiện tượng này chỉ rằng vật chất quan sát thấy được trongcác thiên hà, các cụm thiên hà, và cả vũ trụ mà có ảnh hưởng đến bức xạ điện từ chỉ

là một phần nhỏ của tất cả vật chất: phần còn lại được gọi là "thành phần vật chấttối"

Thành phần của vật chất tối chưa hiểu được, nhưng có thể bao gồm những hạt sơ

không phát ra ánh sáng Bằng chứng hiện hành ủng hộ các mô hình cho rằng thành

nhiên, giữa hố đen và vật chất tối có nhiều điểm khác biệt Vật chất tối bất kì nào

thước và càng đặc hơn Gốc của vật chất tối có lực hấp dẫn, vì vậy vật chất tối lớn

đến mấy thì trọng lực và áp suất chúng tạo ra là vẫn không đổi Còn về hố đen,[13]

chúng không thể to ra, mà đơn thuần chỉ là một vòng xoáy với áp suất cực mạnhhút mọi thứ vật chất khác.Vật chất tối có thể di chuyển với vận tốc ánh sáng khi nó

đủ đặc, và thậm chí lúc đó nó có thể phá hủy 1 hành tinh Hố đen có thể là 1 dạngvật chất tối bị thuần hóa, nó không thể di chuyển nữa nhưng vẫn có áp suất cựcmạnh

2.4- Bằng chứng quan sát:

a Đường cong thiên hà:

Cánh tay của các thiên hà xoắn ốc xoay quanh trung tâm thiên hà Mật độ khốiphát sáng của một thiên hà xoắn ốc giảm khi người ta đi từ trung tâm ra ngoài rìa.Nếu khối lượng phát sáng là tất cả vấn đề, thì chúng ta có thể mô hình thiên hànhư một khối điểm ở trung tâm và kiểm tra các khối lượng quay quanh nó,

quay sẽ giảm theo khoảng cách từ tâm, tương tự như Hệ mặt trời Điều này khôngđược quan sát Thay vào đó, đường cong xoay thiên hà vẫn phẳng khi khoảngcách từ tâm tăng lên

Nếu định luật của Kepler là chính xác, thì cách rõ ràng để giải quyết sự khácbiệt này là kết luận sự phân bố khối lượng trong các thiên hà xoắn ốc khônggiống với Hệ Mặt Trời Đặc biệt, có rất nhiều vật chất không phát sáng (vật chấttối) ở vùng ngoại ô của thiên hà

hà hình elip không khớp với sự phân tán vận tốc dự đoán từ phân bố khối lượngquan sát được

Như với các đường cong xoay của thiên hà, cách rõ ràng để giải quyết sự khácbiệt là định nghĩa sự tồn tại của vật chất không phát sáng (vật chất tối)

c Thấu kính hấp dẫn:

Một trong những hậu quả của thuyết tương đối rộng là các vật thể lớn (như[17]

phải đóng vai trò như một thấu kính để bẻ cong ánh sáng từ nguồn này Một vậtthể càng lớn, ống kính càng được quan sát nhiều

Thấu kính mạnh là sự biến dạng quan sát được của các thiên hà nền thành cáccung khi ánh sáng của chúng đi qua một thấu kính hấp dẫn như vậy Nó đã đượcquan sát xung quanh nhiều cụm ở xa bao gồm Abell 1689 Bằng cách đo hình họcbiến dạng, có thể thu được khối lượng của cụm can thiệp Trong hàng chụctrường hợp đã được thực hiện, các tỷ lệ khối lượng ánh sáng thu được tương ứngvới các phép đo vật chất tối động của các cụm Thấu kính có thể dẫn đến nhiềubản sao của một hình ảnh Bằng cách phân tích sự phân bố của nhiều bản saohình ảnh, các nhà khoa học đã có thể suy luận và lập bản đồ phân bố vật chất tốixung quanh cụm thiên hà MACS J0416.1-2403

Hình 2 Thấu kính hấp dẫn mạnh theo quan sát của Kính viễn vọng không

gian Hubble

Hình 3 Bản đồ vật chất tối cho một mảng bầu trời dựa trên phân tích thấu

kính hấp dẫn của khảo sát Kilo-DegreeThấu kính hấp dẫn yếu nghiên cứu về các biến dạng nhỏ của các thiên hà, sửdụng các phân tích thống kê từ các khảo sát thiên hà rộng lớn Bằng cách kiểm tra

chất tối có thể được đặc trưng Các tỷ lệ khối lượng ánh sáng tương ứng với mật

độ vật chất tối được dự đoán bằng các phép đo cấu trúc quy mô lớn khác Vậtchất tối không tự bẻ cong ánh sáng; khối lượng (trong trường hợp này là khốilượng của vật chất tối) uốn cong không thời gian Ánh sáng đi theo độ cong củakhông thời gian, dẫn đến hiện tượng thấu kính

Hình 4 Bản đồ 3 chiều về sự phân bố vật chất tối quy mô lớn, được tái tạo từ

d Cụm Bullet Cluster:

Nếu vật chất tối không tồn tại, thì lời giải thích rất có thể tiếp theo phải là

được sửa đổi Cụm Bullet Cluster, kết quả của một vụ va chạm gần đây của haicụm thiên hà, đưa ra một thách thức đối với các lý thuyết trọng lực đã được sửađổi vì trung tâm khối lượng rõ ràng của nó bị dịch chuyển rất xa so với tâm khối

quan sát này, nhưng trọng lực biến đổi có thời gian khó khăn hơn nhiều,đặc biệt

vì bằng chứng quan sát là độc lập với mô hình

* Ngoài ra vẫn còn một số bằng chứng quan sát khác như:

- Cụm thiên hà

- Nền vi sóng vũ trụ

- Cấu trúc hình thành (Structure formatio)

- Đo khoảng cách siêu tân tinh (Type Ia supernova distance measurements)

- Biến dạng không gian đỏ (Redshift-space distortions)

- Cấu trúc Lyman-alpha (Lyman-alpha forest)

2.5- Lý thuyết mới về sự ra đời của vật chất tối:

a Hạt WIMP (hạt nặng tương tác yếu):

Mặc dù với nền khoa học vũ trụ hiện đại nhưng vật chất tối là gì vẫn là mộtvấn đề chưa thể khẳng định một cách chính xác Nhà vât lý học Don Lincoln từ

Bộ Năng lượng Mỹ cho biết ban đầu các nhà khoa học phỏng đoán rằng việc mấtkhối lượng xảy ra ngoài không gian là do các ngôi sao đang tắt có kích thước nhỏ

và hố đen, tuy nhiên hiện không có đủ quan sát trực tiếp cho thấy tác động củahai thứ trên lên vật chất tối Giả thuyết được công nhận rộng rãi cho rằng vật chấttối là loại hạt có tên Weakly Interacting Massive Particle hay WIMP Loại hạt này

hoạt động gần giống neutron nhưng lại có khối lượng nặng hơn hạt proton từ 10đến 100 lần Vì vậy, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều thí nghiệm để nghiêncứu số lượng lớn các loại hạt vật chất bình thường ở dưới lòng đất nhằm ngăncản các loại bức xạ để có thể bắt được khoảnh khắc va chạm của vật chất tối Tuynhiên sau nhiều thập kỷ, không một cảm biến nào có thể khám phá ra điều gì mới.Đầu năm nay, thí nghiệm của một công ty Trung Quốc là PandaX cho kết luậnrằng không tồn tại hạt WIMP Dường như hạt vật chất tối nhỏ hơn nhiều so vớihạt WIMP hoặc thiếu các đặc điểm có thể giúp quá trình nghiên cứu dễ dàng hơn,theo nhà vật lý học Hai-Bo Yu từ đại học California

Trong khi các nhà vật lí ngày càng rời xa WIMP, thì các hạt vật chất tối khácbắt đầu được quan tâm Một trong những giả thuyết khác là một hạt giả định gọi

là axion, cực kì nhẹ, có thể là nhẹ hơn proton hàng tỷ tỷ lần Một vài thí nghiệmđang được tiến hành để tìm kiếm axion

Hình 6 Ảnh thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối (hạt WIMP)

WIMP chiếm phần rất lớn của Vật chất tối, khoảng 1 tỉ hạt đi qua 1 cm vuông trong mỗi giây, di chuyển với tốc độ cả trăm cây số mỗi giây Nhưng vì khả năng tương tác rất yếu nên trong 1 ngày chưa chắc đã có 1 hạt WIMP chạm vào những phân tử của máy thử

b Thí nghiệm DAMA/LIBRA:

Một bí ẩn lâu đời trong ngành vật lý hạt là kết quả của thí nghiệm tại châu Âu

có tên gọi DAMA/LIBRA Chiếc máy nằm trong một khu mỏ dưới lòng đất bêndưới dãy núi Gran Sasso, Ý Có nhiệm vụ tìm kiếm dao động tuần hoàn của hạtvật chất tối Dao động này phát khi Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo quanhMặt Trời của chúng ta, thỉnh thoảng còn được gọi là gió vật chất tối Năm 1997,

nó đã khẳng định tìm thấy chính xác loại tín hiệu nào mặc dù không có thínghiệm nào tìm được thứ như vậy

Hình 7 Sơ đồ mặt cắt của máy dò DAMA/LIBRA với sàng lọc đa lớp

là positron , và một viên kim cương Nếu photon tối thật sự có tồn tại, thì các[23]

cặp electron-positron có thể phá hủy nhau và tạo ra một trong những loại hạt cólực kỳ lạ, có khả năng mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới

2.6- Phân loại vật chất tối và ứng dụng của nó:

Không tồn tại sự đồng thuận trong cộng đồng vật lý lý thuyết về việc liệu vậtchất tối có chia thành nhiều loại 'khác nhau hay không, nhưng vẫn tồn tại bằngchứng phân biệt vật chất tối thành loại "nóng" (HDM ) và " lạnh " (CDM ) mà[24] [25]

Thuật ngữ này không có nghĩa là gọi bất kỳ mối liên hệ nào với nhiệt độ, mà thay

kích thước của các hạt xác định vận tốc mà chúng di chuyển trong mối quan hệnghịch đảo: HDM di chuyển nhanh hơn CDM vì các hạt HDM trên cơ sở lý thuyết

là có khối lượng thấp hơn

a Vật chất tối nóng (HDM):

- Vật chất tối nóng là một hình thức lý thuyết của vật chất tối trong đó baogồm các hạt chuyển động với vận tốc ultrarelativistic

- Ứng dụng: Về mặt ứng dụng của nó, việc phân phối vật chất tối nóng cũng

có thể giúp giải thích cách các cụm và siêu đám thiên hà hình thành sau Vụ nổ lớn Big

Bang Các nhà lý luận cho rằng tồn tại hai loại vật chất tối: (1) những nhóm

“tập hợn xung quanh các thành viên riêng lẻ của một cụm thiên hà có thể nhìn thấy”

và (2) bao gồm “toàn bộ cụm” Bởi vì vật chất tối lạnh có vận tốc thấp hơn, nó cóthể là nguồn gốc của “các khối nhỏ hơn, có kích thước thiên hà”, như trong hình 8