Nhóm2

NHÓM Phạm Thị Mỹ Tin Lý Thiếu Phấn Nguyễn Hoàng Mỹ Ngọc Trần Ngọc Minh Phương CHỦ ĐỀ: VŨ TRỤ Định nghĩa Các tiến trình vụ nổ lớn Tính chất 3.1 3.2 3.3 3.4 Hình dạng Kích thước khu vực Tuổi giãn nở Không thời gian Thành phần 4.1 4.2 4.3 4.4 Năng lượng tối Vật chất tối Vật chất thường Hạt sơ cấp 4.4.1 4.4.2 4.4.3 Hadron Lepton Photon Các mơ hình học vũ trụ Định nghĩa Vũ trụ bao gồm tất vật chất, lượng khơng gian có, coi khối bao quát Vũ trụ chưa xác định kích thước xác, mở rộng kể từ khởi đầu vụ nổ Big Bang khoảng 13 tỷ năm trước Vũ trụ bao gồm hành tinh, sao, thiên hà, thành phần không gian liên sao, hạt hạ nguyên tử nhỏ nhất, vật chất lượng Vũ trụ quan sát có đường kính vào khoảng 28,5 tỷ parsec (93 tỷ năm ánh sáng) trong thời gian ước tính có khoảng nghìn tỉ thiên hà vũ trụ quan sát Các nhà thiên văn chưa biết kích thước tồn thể Vũ trụ gần vơ hạn Những quan sát phát triển vật lý lý thuyết giúp suy luận thành phần tiến triển Vũ trụ Các tiến trình vụ nổ lớn Mơ hình chấp nhận rộng rãi nguồn gốc Vũ trụ lý thuyết Vụ Nổ Lớn Mơ hình Vụ Nổ Lớn miêu tả trạng thái sớm Vũ trụ có mật độ nhiệt độ lớn sau trạng thái giãn nở điểm không gian Mơ hình dựa thuyết tương đối rộng giả thiết tính đồng đẳng hướng khơng gian Phiên mơ hình với số vũ trụ học (Lambda) vật chất tối lạnh, gọi mơ hình Lambda - CDM, mơ hình đơn giản cung cấp cách giải thích hợp lý cho nhiều quan sát khác Vũ trụ Mơ hình Vụ Nổ Lớn giải thích cho quan sát tương quan khoảng cách dịch chuyển đỏ thiên hà, tỉ lệ số lượng nguyên tử hidro với nguyên tử heli, xạ vi sóng vũ trụ Trạng thái nóng, đặc ban đầu gọi kỷ nguyên Planck, giai đoạn ngắn kéo dài từ lúc thời gian đơn vị thời gian Planck xấp xỉ 10−43 giây Trong kỷ nguyên Planck, loại vật chất loại lượng tập trung trạng thái đặc, nơi lực hấp dẫn cho trở lên mạnh ngang với lực khác, tất lực thống làm Từ kỷ nguyên Planck, Vũ trụ giãn nở hình dạng tại, mà có khả trải qua giai đoạn lạm phát ngắn khiến cho kích thước Vũ trụ đạt tới kích thước lớn nhiều 10-32 giây Giai đoạn làm đặn khối cục vật chất nguyên sơ Vũ trụ để lại trạng thái đồng đẳng hướng quan sát thấy ngày Các thăng giáng học lượng tử suốt trình để lại thăng giáng mật độ Vũ trụ, mà sau trở thành mầm mống cho hình thành cấu trúc Vũ trụ Sau kỷ nguyên Planck lạm phát tới kỉ nguyên Quark, Hadron, Lepton Theo Steven Weiberg, ba kỷ nguyên kéo dài khoảng 13,82 giây sau thời điểm Vụ Nổ Lớn Sự xuất nguyên tố nhẹ giải thích lý thuyết dựa giãn nở không gian kết hợp với vật lí hạt nhân vật lí nguyên tử Khi Vũ trụ giãn nở, mật độ lượng xạ điện từ giảm nhanh so với mật độ vật chất lượng photon giảm theo bước sóng Cùng với Vũ trụ giãn nở nhiệt độ giảm đi, hạt kết hợp lại thành hạt tổ hợp lớn ổn định Do vậy, vài giây sau Vụ Nổ Lớn, hình thành hạt proton neutron ổn định hình thành lên hạt nhân nguyên tử thông qua phản ứng hạt nhân Quá trình này, gọi tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn, dẫn tới có mặt hạt nhân nhẹ, bao gồm hidro, deuteri, heli Tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn kết thúc sau khoảng 20 phút, nhiệt độ Vũ trụ giảm xuống mức khơng cịn đủ để xảy phản ứng tổng hợp hạt nhân Ở giai đoạn này, vật chất Vũ trụ chủ yếu plasma nóng đặc chứa electron mang điện tích âm, hạt neutrino trung hịa hạt nhân mang điện tích dương Các hạt phản hạt liên tục va chạm hủy thành cặp photon ngược lại Kỷ nguyên gọi kỷ nguyên photon, kéo dài khoảng 380 nghìn năm Với photon khơng cịn tương tác với vật chất nữa, Vũ trụ bước vào giai đoạn vật chất chiếm đa số mật độ (matter-dominated era; lưu ý giai đoạn sau khoảng 47 nghìn năm kể từ Vụ Nổ Lớn, Vũ trụ sương mờ đụcoptical thick-đối với xạ Trước giai đoạn xạ chiếm đa số động lực Vũ trụ bị chi phối xạ.) Đến thời điểm kỷ nguyên tái kết hợp sau khoảng 380 nghìn năm, electron hạt nhân hình thành lên nguyên tử ổn định, cho phép Vũ trụ trở lên suốt với sóng điện từ Lúc ánh sáng lan truyền tự khơng gian, cịn quan sát tận ngày với tên gọi xạ vi sóng vũ trụ (CMB) Sau khoảng 100 đến 300 triệu năm, bắt đầu hình thành; ngơi lớn, sáng chịu trách nhiệm cho q trình tái ion hóa Vũ trụ Bởi khơng có ngun tố nặng lithi từ giai đoạn tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn, tạo nguyên tố nặng trình tổng hợp hạt nhân Vũ trụ chứa dạng lượng bí ẩn gọi lượng tối; mật độ lượng lượng tối không thay đổi theo thời gian Sau khoảng 9,8 tỷ năm, Vũ trụ giãn nở đến mức độ khiến cho mật độ vật chất nhỏ mật độ lượng tối, đánh dấu bắt đầu giai đoạn lượng tối thống lĩnh Vũ trụ (dark-energy-dominated era) Trong giai đoạn này, giãn nở gia tăng Vũ trụ lượng tối Tính chất Khơng thời gian Vũ trụ thường thể từ khuôn khổ khơng gian Euclid, coi khơng gian có ba chiều vật lý, thời gian chiều khác, trở thành "chiều thứ tư".Bằng cách kết hợp không gian thời gian thành thực thể đa tạp toán học gọi không gian Minkowski, nhà vật lý đưa nhiều lý thuyết vật lý miêu tả tượng Vũ trụ theo cách thống từ phạm vi siêu thiên hà mức hạ nguyên tử Các kiện không thời gian không xác định tuyệt đối từ khoảng khơng gian khoảng thời gian mà có quan hệ tương chuyển động quan sát viên Không gian Minkowski miêu tả gần Vũ trụ khơng có lực hấp dẫn; đa tạp tựa - Riemann thuyết tương đối rộng miêu tả Vũ trụ xác đưa trường hấp dẫn vật chất vào không thời gian bốn chiều Lý thuyết dây giả thiết có tồn chiều ngoại lai khác không thời gian Trong bốn tương tác bản, lực hấp dẫn thống trị Vũ trụ phạm vi kích thước lớn, bao gồm thiên hà cấu trúc lớn Các hiệu ứng hấp dẫn có tính tích lũy; ngược lại, hiệu ứng điện tích âm điện tích dương có xu hướng hủy lẫn nhau, khiến cho lực điện từ khơng có ảnh hưởng nhiều quy mô lớn Vũ trụ Hai tương tác lại, tương tác yếu tương tác mạnh, giảm cường độ tác dụng nhanh theo khoảng cách hiệu ứng chúng chủ yếu đáng kể phạm vi hạ nguyên tử Vũ trụ chứa vật chất nhiều phản vật chất, chênh lệch có khả liên quan tới vi phạm CP tương tác yếu Dường Vũ trụ khơng có động lượng hay momen động lượng Sự vắng mặt điện tích hay động lượng tổng thể xuất phát từ định luật vật lý đa số nhà khoa học công nhận (tương ứng định luật Gaus tính khơng phân kỳ giả tenxơ ứng suất-năng lượng-động lượng) Vũ trụ có biên giới hạn 3.1 Hình dạng Thuyết tương đối tổng quát miêu tả không thời gian bị cong ảnh hưởng vật chất lượng Tơ pơ hay hình học Vũ trụ bao gồm hình học cục vũ trụ quan sát hình học tồn cục Các nhà vũ trụ học thường nghiên cứu nhát cắt kiểu không gian định không thời gian gọi tọa độ chuyển động Phần khơng thời gian quan sát phần nhìn ngược nón ánh sáng mà phân định chân trời vũ trụ học Chân trời vũ trụ học (cũng gọi chân trời hạt chân trời ánh sáng) khoảng cách đo mà từ khơi phục thơng tin hay khoảng cách lớn mà hạt đạt để tới quan sát viên phạm vi tuổi Vũ trụ Chân trời ranh giới biên vùng quan sát không quan sát Vũ trụ Sự tồn tại, tính chất ý nghĩa chân trời Vũ trụ học phụ thuộc vào mơ hình vũ trụ họ cụ thể Một tham số quan trọng xác định lên tương lai tiến hóa Vũ trụ tham số mật độ, Omega (Ω), định nghĩa mật độ vật chất trung bình Vũ trụ chia cho giá trị giới hạn mật độ Việc có ba khả hình dạng Vũ trụ phụ thuộc vào Ω có bằng, nhỏ hay lớn Tương ứng với giá trị Vũ trụ phẳng, mở hay Vũ trụ đóng Các quan sát, bao gồm từ tàu Cosmic Background Explorer (COBE), Tàu thăm dị hướng Vi sóng Wilkinson (WMAP), Planck vẽ đồ CMB, cho thấy Vũ trụ mở rộng vô hạn với tuổi hữu hạn miêu tả mơ hình (FLRW) Mơ hình FLRW ủng hộ Friedmann – Lematre – Robertson – Walker mơ hình vũ trụ lạm phát mơ hình chuẩn vũ trụ học, miêu tả vũ trụ phẳng đồng với chiếm lĩnh chủ yếu vật chất tối lượng tối Tơ pơ tồn cục Vũ trụ khó xác định người ta chưa biết xác tính chất Vũ trụ Từ liệu quan trắc CMB tàu Planck, số nhà vật lý cho tô pô vũ trụ mở, lớn vơ hạn có biên khơng có biên 3.2 Kích thước khu vực Xác định kích thước xác Vũ trụ vấn đề khó khăn Theo định nghĩa có tính giới hạn, Vũ trụ thứ phạm vi không thời gian mà có hội tương tác với ngược lại Theo thuyết tương đối tổng quát, số khu vực không gian không tương tác với thời gian tồn Vũ trụ tóc độ ánh sáng giới hạn giãn nở khơng gian Ví dụ, thơng điệp vơ tuyến gửi từ Trái Đất khơng tới số khu vực không gian, Vũ trụ tồn mãi: khơng gian giãn nở nhanh ánh sáng truyền bên Các vùng khơng gian xa cho tồn phần thực chúng ta, cho dù không chạm tới chúng Vùng khơng gian mà thu nhận thông tin gọi Vũ trụ quan sát Nó phụ thuộc vào vị trí người quan sát Bằng cách di chuyển, quan sát viên liên lạc với vùng khơng thời gian lớn so với quan sát viên đứng yên Tuy vậy, quan sát viên di chuyển nhanh tương tác với tồn khơng gian Nói chung, Vũ trụ quan sát lấy theo nghĩa phần không gian Vũ trụ quan sát từ điểm thuận lợi từ Ngân Hà Khoảng cách riêng - khoảng cách đo thời điểm cụ thể, bao gồm vị trí từ Trái Đất biên giới Vũ trụ quan sát 46 tỷ năm ánh sáng (14 tỷ parsec), đường kính Vũ trụ quan sát vào khoảng 91 tỷ năm ánh sáng (28×109 pc) Khoảng cách ánh sáng từ biên Vũ trụ quan sát xấp xỉ tuổi Vũ trụ nhân với tốc độ ánh sáng, 13,8 tỷ năm ánh sáng (4,2×109 pc), khoảng cách không biểu diễn cho thời điểm khác, biên giới Vũ trụ Trái Đất di chuyển dần xa khỏi Để so sánh, đường kính thiên hà điển hình gần 30.000 năm ánh sáng, khoảng cách điển hình hai thiên hà lân cận khoảng triệu năm ánh sáng Ví dụ, đường kính Ngân Hà vào khoảng 100.000 năm ánh sáng, thiên hà lớn gần với Ngân Hà, Thiên hà Andromeda, nằm cách xa khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng Bởi khơng thể quan sát khơng gian vượt biên giới Vũ trụ quan sát được, khơng thể biết kích thước Vũ trụ hữu hạn hay vô hạn 3.3 Tuổi giãn nở Các nhà thiên văn tính tốn tuổi Vũ trụ giả thiết mơ hình LambdaCDM miêu tả xác tiến hóa Vũ trụ từ trạng thái nguyên thủy nóng, đậm đặc đồng trạng thái họ thực đo tham số vũ trụ học mà cấu thành lên mơ hình Mơ hình hiểu tốt mặt lý thuyết ủng hộ quăn trắc thiên văn với độ xác cao gần từ tàu WMAP Planck Các kết thường khớp với quan trắc từ dự án khảo sát bất đẳng hướng xạ vi sóng vũ trụ, mối liên hệ dịch chuyển đỏ độ sáng từ vụ nổ siêu tân tinh loại lạ, khảo sát cụm thiên hà phạm vi lớn bao gồm đặc điểm dao động baryon tựa âm (baryon acoustic oscillation) Những quan sát khác, nghiên cứu số Hubble, phân bố cụm thiên hà, tượng thấu kính hấp dẫn yếu tuổi cụm cầu, cho liệu quán với nhau, từ mang lại phép thử chéo cho mơ hình chuẩn Vũ trụ học giai đoạn trẻ vũ trụ bớt xác đo đạc phạm vi gần Ngân Hà Với ưu tiên mơ hình Lambda-CDM đúng, sử dụng nhiều kỹ thuật đo cho tham số cho phép thu giá trị xấp xỉ tốt tuổi Vũ trụ vào khoảng 13,799 ± 0,021 tỷ năm (tính đến năm 2015) Theo thời gian Vũ trụ thành phần tiến hóa, ví dụ số lượng phân bố chuẩn tinh thiên hà thay đổi khơng gian giãn nở Vì giãn nở này, nhà khoa học ghi lại ánh sáng từ thiên hà nằm cách xa Trái Đất 30 tỷ năm ánh sáng cho dù ánh sáng khoảng thời gian khoảng 13 tỷ năm; lý không gian chúng mở rộng Sự giãn nở phù hợp với quan sát ánh sáng từ thiên hà xa tới thiết bị đo bị dịch chuyển sáng phía đỏ; photon phát từ chúng dần lượng chuyển dịch sang bước sóng dài (hay tần số thấp hơn) suốt quãng đường hành trình chúng Phân tích phổ từ siêu tân tinh loại Ia cho thấy giãn nở không gian gia tốc tăng Càng nhiều vật chất Vũ trụ, lực hút hấp dẫn chúng mạnh Nếu Vũ trụ q đậm đặc sớm co lại thành kỳ dị hấp dẫn Tuy nhiên, Vũ trụ chứa vật chất giãn nở gia tốc q nhanh khơng đủ thời gian để hành tinh hệ hành tinh hình thành Sau Vụ Nổ Lớn, Vũ trụ giãn nở cách đơn điệu Thật ngạc nhiên là, Vũ trụ có mật độ khối lượng vừa vào cỡ khoảng proton mét khối cho phép giãn nở không gian kéo dài suốt 13,8 tỷ năm qua, quãng thời gian đủ để hình thành lên vũ trụ quan sát ngày Có lực mang tính động lực tác động lên hạt Vũ trụ mà ảnh hưởng tới tốc độ giãn nở Trước năm 1998, đa số nhà vũ trụ học cho tăng giá trị số Hubble tiến tới giảm dần theo thời gian ảnh hưởng tương tác hấp dẫn, họ đưa đại lượng đo Vũ trụ tham số giảm sốc mà họ hi vọng có liên hệ trực tiếp tới mật độ vật chất Vũ trụ Vào năm 1998, hai nhóm nhà thiên văn độc lập với đo tham số giảm tốc có giá trị xấp xỉ −1 khác 0, hàm ý tốc độ giãn nở ngày Vũ trụ gia tăng theo thời gian 3.4 Không thời gian Không thời gian bối cảnh cho kiện vật lý xảy ra—một kiện điểm không thời gian xác định tọa độ không gian thời gian Các yếu tố không thời gian kiện Trong không thời gian bất kỳ, kiện xác định cách vị trí thời gian Bởi kiện điểm khơng thời gian, vật lý tương đối tính cổ điển, vị trí hạt (giống hạt điểm) thời điểm cụ thể viết (x, y, z, t ) Có thể định nghĩa không thời gian hợp kiện giống cách đường thẳng hợp điểm nó, mà theo phát biểu tốn học gọi đa tạp Vũ trụ dường continum không thời gian chứa ba chiều không gian chiều thời khoảng (thời gian) Trên trung bình, Vũ trụ có tính chất hình học gần phẳng (hay độ cong khơng gian xấp xỉ 0), có nghĩa hình học Euclid mơ hình xấp xỉ tốt hình học Vũ trụ khoảng cách lớn Ở cấu trúc tồn cục, tơ pơ khơng thời gian khơng gian đơn liên (simply connected space), tương tự với mặt cầu, phạm vi Vũ trụ quan sát Tuy nhiên, quan sát ngoại trừ số khả Vũ trụ có thêm nhiều chiều ẩn giấu khơng thời gian Vũ trụ khơng gian tơ pơ đa liên tồn cục (multiply connected global topology), tương tự tô pô không gian hai chiều mặt hình trụ hình vịng xuyến Thành phần Vũ trụ chứa phần lớn thành phần lượng tối, vật chất tối, vật chất thông thường Các thành phần khác xạ điện từ (ước tính chiếm từ 0,005% đến gần 0,01%) phản vật chất Tổng lượng xạ điện từ sản sinh Vũ trụ giảm nửa tỷ năm qua Tỷ lệ phần trăm loại vật chất lượng thay đổi suốt lịch sử Vũ trụ Ngày nay, vật chất thông thường, bao gồm nguyên tử, sao, thiên hà, môi trường không gian liên sao, sống, chiếm khoảng 4,9% thành phần Vũ trụ Mật độ tổng loại vật chất thông thường thấp, khoảng 4,5 × 10−31 gram centimét khối, tương ứng với mật độ proton thể tích bốn mét khối Các nhà khoa học chưa biết chất lượng tối vật chất tối Vật chất tối, dạng vật chất bí ẩn mà nhà vật lý chưa nhận dạng nó, chiếm thành phần khoảng 26,8% Năng lượng tối, coi lượng chân không nguyên nhân gây giãn nở gia tốc Vũ trụ lịch sử gần nó, thành phần cịn lại chiếm khoảng 68,3% Vật chất, vật chất tối, lượng tối phân bố đồng toàn thể Vũ trụ xét phạm vi khoảng cách 300 triệu năm ánh sáng Tuy nhiên, phạm vi nhỏ hơn, vật chất có xu hướng tập trung lại thành cụm; nhiều ngun tử tích tụ thành ngơi sao, tập trung thiên hà phần lớn thiên hà quần tụ lại thành đám, siêu đám cuối sợi thiên hà (galaxy filament) khoảng cách lớn Vũ trụ quan sát chứa xấp xỉ 3×10 23 ngơi 100 tỷ (1011) thiên hà Các thiên hà điển hình xếp từ loại thiên hà lùn với vài chục triệu (107) thiên hà chứa khoảng nghìn tỷ (1012) Giữa cấu trúc khoảng trống (void) lớn, với đường kính vào cỡ 10–150 Mpc (33 triệu–490 triệu ly) Ngân Hà nằm Nhóm Địa Phương, đến lượt thuộc Siêu đám Laniakea Siêu đám trải rộng 500 triệu năm ánh sáng, Nhóm Địa Phương có đường kính xấp xỉ 10 triệu năm ánh sáng Vũ trụ có vùng trống hoang vu tương đối lớn; khoảng trống lớn đo có đường kính vào khoảng 1,8 tỷ năm ánh sáng (550 Mpc) Trên quy mô lớn siêu đám thiên hà, Vũ trụ quan sát đẳng hướng, có nghĩa liệu mang tính chất thống kê Vũ trụ có giá trị hướng quan sát từ Trái Đất Vũ trụ chứa đầy xạ vi sóng có độ đồng cao mà tương ứng với phổ xạ vật đen trạng thái trạng thái cân nhiệt động nhiệt độ gần 2,72548 Kelvin Tiên đề coi Vũ trụ đồng đẳng hướng phạm vi khoảng cách lớn gọi nguyên lí vũ trụ học Nếu vật chất lượng Vũ trụ phân bố đồng đẳng hướng nhìn thấy thứ quan sát từ điểm Vũ trụ khơng có tâm đặc biệt 4.1 Năng lượng tối Tại giãn nở Vũ trụ lại tăng tốc câu hỏi hóc búa nhà vũ trụ học Người ta thường cho "năng lượng tối", dạng lượng bí ẩn với giả thuyết mật độ khơng đổi có mặt khắp nơi Vũ trụ nguyên nhân giãn nở Theo nguyên lí tương đương khối lượng – lượng, phạm vi cỡ thiên hà, mật độ lượng tối (~ × 10−30 g/cm3) nhỏ nhiều so với mật độ vật chất thông thường hay lượng tối chứa thể tích thiên hà điển hình Tuy nhiên, thời kỳ lượng tối thống trị nay, lấn át thành phần khối lượng-năng lượng Vũ trụ phân bố đồng khắp nơi khơng gian Các nhà khoa học đề xuất hai dạng mà lượng tối gán cho số vũ trụ học, mật độ lượng khơng đổi chốn đầy không gian vũ trụ, trường vô hướng nguyên tố thứ năm (quintessence) trường moduli, đại lượng động lực mà mật độ lượng thay đổi theo không gian thời gian Các đóng góp từ trường vơ hướng mà khơng đổi không gian thường bao gồm số vũ trụ học Ngoài ra, biến đổi nhỏ giá trị trường vô hướng phân bố bất đồng theo khơng gian khiến cho khó phân biệt trường với mơ hình số vũ trụ Vật lý lượng tử gợi ý số có nguồn gốc từ lượng chân khơng (ví dụ xuất hiệu ứng Casimir) Tuy giá trị đo mật độ lượng tối lại nhỏ 120 lần bậc độ lớn so với giá trị tính tốn lí thuyết trường lượng tử 4.2 Vật chất tối Vật chất tối loại vật chất giả thiết quan sát phổ điện từ, theo tính tốn phải chiếm phần lớn vật chất Vũ trụ Sự tồn tính chất vật chất tối suy luận từ ảnh hưởng hấp dẫn lên vật chất baryon, xạ cấu trúc lớn Vũ trụ Ngoài neutrino, loại nhà thiên văn vật lý xếp vào dạng vật chất tối nóng - phát thơng qua máy dị đặt lịng đất, chưa thể phát tác động trực tiếp vật chất tối lên thiết bị thí nghiệm, khiến cho trở thành bí ẩn lớn ngành thiên văn vật lí đại Vật chất tối không phát hay hấp thụ ánh sáng hay xạ điện tuè mức đáng kể Theo kết quan trắc từ xạ vi sóng vũ trụ, vật chất tối chiếm khoảng 26,8% tổng thành phần lượng-vật chất 84,5% tổng thành phần vật chất Vũ trụ quan sát 4.3 Vật chất thường Thành phần khối lượng-năng lượng chiếm 4,9% cịn lại Vũ trụ "vật chất thơng thường", tức bao gồm loại nguyên tử, ion, electron vật thể mà chúng cấu thành lên Chúng bao gồm sao, loại thiên thể tạo phần lớn ánh sáng phát từ thiên hà, khí bụi mơi trường liên (vd: tinh vân) liên thiên hà, hành tinh, vật thể có mặt sống hàng ngày mà cầm nắm, sản xuất, nghiên cứu phát [99] Vật chất thông thường tồn bốn trạng thái (hay pha): thể rắn, lỏng, khí, plasma Tuy nhiên, tiến kỹ thuật thực nghiệm cho phép thực hóa trạng thái vật chất mà trước tiên tốn tồn lý thuyết, ngưng tụ Bose - Einstein ngưng tự fermion Vật chất bình thường cấu thành từ hai loại hạt bản: quark lepton Ví dụ, hạt proton hình thành từ hai hạt quark lên hạt quark xuống; hạt neutron hình thành từ hai hạt quark xuống hạt quark lên; electron loại thuộc họ lepton Một nguyên tử chứa hạt nhân nguyên tử, mà proton neutron liên kết với nhau, electron obitan nguyên tử Bởi phần lớn khối lượng nguyên tử tập trung hạt nhân nó, mà cấu thành từ hạt baryon, nhà thiên văn học thường sử dụng thuật ngữ vật chất baryon để miêu tả vật chất thông thường, phần nhỏ loại "vật chất baryon" electron neutrino Ngay sau vụ nổ Big Bang, proton neutron nguyên thủy hình thành từ dạng plasma quark - gluon giai đoạn sơ khai Vũ trụ "nguội" hai nghìn tỷ độ Một vài phút sau, trình tổng hợp hạt nhân Big Bang, hạt nhân hình thành nhờ kết hợp hạt proton neutron nguyên thủy Quá trình tổng hợp tạo nguyên tố nhẹ lithi beryllium, nguyên tố nặng chúng lại sản sinh từ trình khác Một số nguyên tử boron hình thành vào giai đoạn này, nguyên tố nặng kế tiếp, carbon, khơng hình thành lượng đáng kể Tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn kết thúc sau khoảng 20 phút giảm nhanh chóng nhiệt độ mật độ giãn nở Vũ trụ Sự hình thành nguyên tố nặng kết trình tổng hợp hạt nhân tổng hợp siêu tân tinh 4.4 Hạt sơ cấp Vật chất thông thường lực tác dụng lên vật chất miêu tả theo tính chất hoạt động hạt sơ cấp Các hạt miêu tả bản, dường chúng khơng có cấu trúc bên trong, người ta chưa biết liệu chúng có phải hạt tổ hợp hạt nhỏ hay không Lý thuyết quan trọng trung tâm miêu tả hạt sơ cấp Mơ hình Chuẩn, lý thuyết đề cập đến tương tác điện từ, tương tác yếu tương tác mạnh Mơ hình Chuẩn kiểm chứng xác nhận thực nghiệm liên quan tới tồn hạt cấu thành lên vật chất: hạt quark lepton, "phản hạt" đối ngẫu với chúng, hạt chịu trách nhiệm truyền tương tác: photon, boson W Z, gluon Mô hình Chuẩn tiên đốn tồn loại hạt gần xác nhận tồn boson Higgs, loại hạt đặc trưng cho trường Vũ trụ mà chịu trách nhiệm cho khối lượng hạt sơ cấp Bởi thành cơng giải thích nhiều kết thí nghiệm, Mơ hình Chuẩn đơi lúc coi "lý thuyết thứ" Tuy nhiên, Mơ hình Chuẩn khơng miêu tả lực hấp dẫn Một lý thuyết thực thụ "cho tất cả" mục tiêu xa ngành vật lý lý thuyết 4.4.1 Hạt Hadron Hadron hạt tổ chức chứa quark liên kết với lực hạt nhân mạnh Hadron phân thành hai họ: baryon (như proton neutron) cấu thành từ ba hạt quark, meson (như hạt pion) cấu thành từ quark phản quark Trong hadron, proton loại hạt ổn định với thời gian sống lâu, neutron liên kết hạt nhân nguyên tử loại ổn định Các hadron khác khơng bền điều kiện bình thường chúng thành phần không đáng kể Vũ trụ Từ xấp xỉ 10−6 giây sau vụ nổ Big Bang, giai đoạn gọi kỷ nguyên Hadron, nhiệt độ Vũ trụ giảm đáng kể cho phép hạt quark liên kết với gluon để tạo thành hadron, khối lượng Vũ trụ giai đoạn chủ yếu đóng góp từ hadron Nhiệt độ lúc đầu đủ cao phép hình thành cặp hadron/phản-hadron, mà giữ cho vật chất phản vật chất trạng thái cân nhiệt động Tuy nhiên, nhiệt độ Vũ trụ tiếp tục giảm, cặp hadron/phản-hadron khơng cịn tồn Đa số hadron phản-hadron hủy lẫn phản ứng hủy cặp hạt-phản hạt, để lại lượng nhỏ hadron lúc Vũ trụ trải qua quãng thời gian giây 4.4.2 Lepton Lepton loại hạt sơ cấp có spin bán ngun khơng tham gia vào tương tác mạnh tn theo ngun lí loại trừ Pauli; khơng có hai lepton hệ trạng thái thời gian Có hai lớp lepton: lepton mang điện tích (cịn biết đến lepton giống electron), lepton trung hòa (hay hạt nẻuino) Electron hạt ổn định lepton mang điện phổ biến Vũ trụ, muon tau hạt khơng bền mà nhanh chóng phân rã sau tạo từ va chạm lượng cao, phản ứng tia vũ trụ bắn phá bầu khí thực máy gia tốc Các lepton mang điện kết hợp với hạt khác để tạo thành nhiều loại hạt tổ hợp khác nguyên tử positronium Electron chi phối gần tính chất hóa học nguyên tố hợp chất chúng tạo nên obitan nguyên tử Neutrino tương tác với hạt khác, khó theo dõi chúng Các dòng hạt chứa hàng tỷ tỷ neutrino bay khắp Vũ trụ hầu hất không tương tác với vật chất thơng thường Có giai đoạn ngắn q trình tiến hóa lúc sơ khai Vũ trụ mà hạt lepton chiếm lĩnh khối lượng chủ yếu Nó bắt đầu gần giây sau Vụ Nổ Lớn, sau phần lớn hadron phản hadron hủy lẫn kết thúc kỷ nguyên Hadron Trong kỷ nguyên lepton, nhiệt độ Vũ trụ cịn đủ cao để trì phản ứng sinh cặp lepton/phản-lepton, lúc lepton phản-lepton trạng thái cân nhiệt động Đến xấp xỉ 10 giây kể từ Vụ Nổ Lớn, nhiệt độ Vũ trụ giảm xuống điểm mà cặp lepton phản-lepton tạo Gần tồn lepton phản-lepton sau hủy lẫn nhau, cịn lại dư lepton Khối lượng-năng lượng Vũ trụ chủ yếu photon đóng góp Vũ trụ tiến tới giai đoạn kỷ nguyên photon 4.4.3 Photon Photon hạt lượng tử ánh sáng tất xạ điện từ khác Nó hạt truyền tương tác lực điện từ, chí trường hợp tương tác thông qua photon ảo Hiệu ứng lực điện từ dễ dàng quan sát cấp vi mơ vĩ mơ photon có khối lượng nghỉ 0; điều cho phép tương tác có phạm vi tác dụng khoảng cách lớn Giống tất hạt sơ cấp khác, photon giải thích học lượng tử thể lưỡng tính sóng hạt, tính chất có sóng lẫn hạt Kỷ nguyên photon bắt đầu sau đa phần lepton phản-lepton hủy lẫn cuối kỷ nguyên lepton, khoảng 10 giây sau Big Bang Hạt nhân nguyên tử tạo trình tổng hợp hạt nhân xuất thời gian vài phút kỷ nguyên photon Vũ trụ kỷ nguyên bao gồm trạng thái vật chất plasma nóng đặc hạt nhân, electron photon Khoảng 380.000 năm sau Big Bang, nhiệt độ Vũ trụ giảm xuống tới giá trị cho phép electron kết hợp với hạt nhân nguyên tử để tạo ngun tử trung hịa Kết là, photon khơng thường xuyên tương tác với vật chất Vũ trụ trở lên "sáng rõ" Các photon có dịch chuyển đỏ lớn từ giai đoạn tạo nên xạ vi sóng vũ trụ Những thăng giáng nhỏ nhiệt độ mật độ phát thấy CMB "mầm mống" sơ khai mà từ cấu trúc Vũ trụ hình thành lên Các mơ hình học vũ trụ Thuyết tương đối rộng lý thuyết hình học lực hấp dẫn Albert Einstein đưa vào năm 1915 miêu tả hấp dẫn vật lí đại Nó sở cho mơ hình vật lí Vũ trụ Thuyết tương đối tổng quát mở rộng phạm vi thuyết tương đối hẹp định luật vạn vật hấp dẫn Newton, đưa đến cách miêu tả thống hấp dẫn tính chất hình học khơng gian thời gian, hay không thời gian Đặc biệt, độ cong không thời gian có liên hệ trực tiếp với lượng động lượng vật chất xạ có mặt thể tích cho trước Liên hệ xác định phương trình trường Einstein, hệ phương trình vi phân riêng phần Trong thuyết tương đối rộng, phân bố vật chất lượng xác định hình học khơng thời gian, từ miêu tả chuyển động có gia tốc vật chất Do vậy, nghiệm phương trình trường Einstein miêu tả tiến triển Vũ trụ Kết hợp với giá trị đo số lượng, loại phân bố vật chất Vũ trụ, phương trình thuyết tương đối tổng quát miêu tả vận động Vũ trụ theo thời gian Với giả sử nguyên lí vũ trụ học Vũ trụ có tính chất đồng đẳng hướng khắp nơi, có nghiệm cụ thể xác phương trình trường miêu tả Vũ trụ tenxơ mêtric gọi Mêtric Friedmann – Lematre – Robertson – Walker (r, θ, φ) tọa độ tương ứng hệ tọa độ cầu Mêtric có hai tham số chưa xác định Đó tham số khơng thứ ngun tỷ lệ dịch chuyển độ dài (dimensionless length scale factor) R miêu tả kích thước Vũ trụ hàm số thời gian; giá trị R tăng biểu thị cho giãn nở Vũ trụ Chỉ số độ cong k miêu tả hình học Vũ trụ Chỉ số k định nghĩa tương ứng cho hình học Euclid phẳng, tương ứng với khơng gian có độ cong toàn phần dương, −1 tương ứng với khơng gian có độ cong âm Giá trị hàm số R theo biến thời gian t phụ thuộc vào số k số vũ trụ học Λ Hằng số vũ trụ học biểu diễn cho mật độ lượng chân không Vũ trụ có khả liên hệ tới lượng tối Phương trình miêu tả R biến đổi theo thời gian gọi phương trình Friedmann mang tên nhà vật lý Alexander Friedmann Kết thu cho R(t) phụ thuộc vào k Λ, có số đặc trưng tổng quát Đầu tiên quan trọng nhất, tỷ lệ dịch chuyển độ dài R Vũ trụ không đổi Vũ trụ đẳng hướng hoàn hảo với độ cong toàn phần dương (k=1) có giá trị xác mật độ khắp nơi, lần Albert Einstein Tuy vậy, trạng thái cân khơng ổn định: quan sát cho thấy Vũ trụ có vật chất phân bố bất đồng phạm vi nhỏ, R phải thay đổi theo thời gian Khi R thay đổi, khoảng cách không gian Vũ trụ thay đổi tương ứng; dẫn tới có giãn nở co lại tổng thể không gian Vũ trụ Hiệu ứng giải thích cho việc quan sát thấy thiên hà dường lùi xa so với nhau; khơng gian chúng giãn Sự giãn nở khơng gian giải thích lý hai thiên hà nằm cách 40 tỷ năm ánh sáng, chúng hình thành thời điểm cách gần 13,8 tỷ năm không chuyển động đạt tới tốc độ ánh sáng Thứ hai, nghiệm có đặc tính tồn kỳ dị hấp dẫn khứ, R tiến tới lượng vật chất có mật độ lớn vô hạn Dường đặc điểm bất định điều kiện biên ban đầu để giải phương trình vi phân riêng phần dựa giả sử tính đồng đẳng hướng (nguyên lý vũ trụ học) xét tới tương tác hấp dẫn Tuy nhiên, định lý kỳ dị Penrose - Hawking chứng minh đặc điểm kỳ dị xuất điều kiện tổng quát Do vậy, theo phương trình trường Einstein, R lớn lên nhanh chóng từ trạng thái nóng đặc cực độ, xuất sau kỳ dị hấp dẫn (tức R có giá trị nhỏ hữu hạn); tính chất mơ hình Vụ Nổ Lớn Vũ trụ Để hiểu chất kỳ dị hấp dẫn Big Bang đòi hỏi lý thiết lượng tử hấp dẫn, mà chưa có lý thuyết thành công hay xác nhận thực nghiệm Thứ ba, số độ cong k xác định dấu độ cong khơng gian trung bình khơng thời gian khoảng cách lớn (lớn khoảng tỷ năm ánh sáng) Nếu k=1, độ cong dương Vũ trụ tích hữu hạn Những vũ trụ hình dung mặt cầu chiều nhúng không gian bốn chiều Ngược lại, k âm, Vũ trụ tích vơ hạn Có cảm nhận phản trực giác dường vũ trụ lớn vô hạn tạo tức từ thời điểm Vụ Nổ Lớn R=0 mật độ vô hạn, điều tiên đốn xác tốn học k khơng Có thể hình dung cách tương tự, mặt phẳng rộng vơ hạn có độ cong diện tích lớn vơ hạn, hình trụ dài vơ hạn có kích thước hữu hạn theo hướng hình xuyến có hai hữu hạn Vũ trụ với mô hình dạng hình xuyến có tính chất giống với Vũ trụ thơng thường với điều kiện biên tuần hồn (periodic boundary conditions) Số phận sau vũ trụ cịn câu hỏi mở, phụ thuộc chủ yếu vào số độ cong k số vũ trụ Λ Nếu mật độ Vũ trụ đủ đậm đặc, k +1, có nghĩa độ cong trung bình đa phần dương Vũ trụ cuối tái suy sụp Vụ Co Lớn, bắt đầu vũ trụ từ Vụ Nẩy Lớn (Big Bounce) Ngược lại, Vũ trụ không đủ đậm đặc, k −1 Vũ trụ giãn nở mãi, lạnh dần cuối đạt tới Vụ đóng băng lớn Cái chết nhiệt vũ trụ Các số liệu cho thấy tốc độ giãn nở Vũ trụ không giảm dần, mà ngược lại tăng dần; trình kéo dài mãi, Vũ trụ cuối đạt tới Vụ Xé Lớn (Big Rip) Trên phương diện quan trắc, Vũ trụ dường có dạng hình học phẳng (k = 0), mật độ trung bình gần với giá trị tới hạn khả tái suy sụp giãn nở mãi