4.1. Vật chất tối
4.1.2. Vật chất tối baryon và nonbaryonic
Vật chất tối cấu tạo từ vật chất baryon và vật chất không có nguồn gốc baryon. Có ba dòng bằng chứng riêng biệt cho rằng phần lớn các vật chất tối không được cấu tạo từ các baryon (vật chất thông thường bao gồm các proton và neutron ):
- Lý thuyết tổng hợp hạt nhân Big Bang đã dự đoán rất chắnh xác lượng nguyên tố hóa học quan sát được. Lý thuyết này dự đoán rằng vật chất baryon chiếm khoảng 4-5 phần trăm của mật độ tới hạn của vũ trụ2. Ngược lại, bằng chứng từ các cấu trúc quy mô lớn và những quan sát khác cho thấy mật độ vật chất tổng cộng là khoảng 30% mật độ tới hạn.
- Những kế hoạch tìm kiếm các hiệu ứng thấu kắnh hấp dẫn yếu trong thiên văn học (như các dự án như EROS và OGLE) đã cho thấy rằng chỉ một phần nhỏ của vật chất tối trong ngân hà Milky Way có thể là các vật chất tối (không phát sáng).
- Phân tắch một cách chi tiết về những bất thường nhỏ bất đẳng hướng trong bức xạ nền vũ trụ được đo đạc bởi các thắ nghiệm như WMAP và Planck cho
45
thấy khoảng năm phần sáu của toàn bộ vật chất nằm trong dạng mà không tương tác một cách đáng kể với vật chất thông thường hay photon.
Một tỷ lệ nhỏ của vật chất tối có nguồn gốc baryon, chúng được cấu tạo từ các vật chất thông thường nhưng bức xạ rất ắt hoặc không bức xạ sóng điện từ. Nghiên cứu tổng hợp hạt nhân sau vụ nổ Big Bang đã đặt các giới hạn trên cho vật chất baryon trong vũ trụ. Những nghiên cứu đó cũng chỉ ra rằng phần lớn vật chất tối trong vũ trụ không thể được cấu tạo từ baryon do đó không thể hình thành nguyên tử. Nó cũng không thể tương tác với vật chất thông thường thông qua lực điện từ. Đặc biệt các hạt của vật chất tối không mang điện.
Các ứng cử viên cho vật chất tối không có nguồn gốc baryon là các hạt giả định như axion hoặc hạt siêu đối xứng. Neutrino chỉ có thể chiếm một phần nhỏ của vật chất tối bởi vì những giới hạn từ cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ và những thiên hà có độ dịch chuyển đỏ cao. Không giống như vật chất tối baryon, vật chất tối không có nguồn gốc baryon không góp phần vào sự hình thành của các nguyên tố trong vũ trụ sơ khai và như vậy sự hiện diện của nó được quan sát thông qua các hiệu ứng hấp dẫn cặp. Ngoài ra, nếu các hạt của nó là các hạt siêu đối xứng thì chúng có thể trải qua sự hủy cặp và có khả năng tạo thành các sản phẩm cso thể đo đạc được như tia gamma và neutrino (phát hiện gián tiếp).
Vật chất tối không có nguồn gốc baryon được phân loại theo khối lượng của hạt giả định và theo sự phân tán vận tốc đặc trưng của những hạt này (vì nhiều hạt càng lớn di chuyển càng chậm). Có ba giả thuyết nổi bật về vật chất tối không có nguồn gốc baryon được gọi là vật chất tối lạnh (cold dark matter-CDM), vật chất tối ấm áp (warm dark matter-WDM) và vật chất tối nóng (hot dark matter- HDM). Các mô hình được thảo luận rộng rãi nhất cho thấy vật chất tối không có nguồn gốc baryon được dựa trên các giả thuyết vật chất tối lạnh và các hạt tương ứng. Các hạt hay được giả định nhất là các hạt có khối lượng lớn tương tác yếu (weakly interacting massive particle -WIMP). Vật chất tối nóng có thể bao gồm
neutrino có khối lượng. N chất tối là nóng.
Hình 4.1: