4.1. Vật chất tối
4.1.4. Phân loại vật chất tối
Ứng cử viên vật chất tối có thể chia một cách gần đúng thành ba loại được gọi là vật chất tối ấm, nóng và lạnh. Các loại này không tương ứng với một nhiệt độ thực tế.
Vật chất tối lạnh là những đối tượng mà độ dài suy giảm vận tốc (Free streaming length6) nhỏ hơn rất nhiều so với kắch thước đặc trưng của một thiên hà nguyên thủy.
6 Free streaming length: Độ dài suy giảm vận tốc là quãng đường mà một hạt tương đối tắnh có thểđi được cho đến khi nó trở thành phi tương đối tắnh
55
Vật chất tối ấm là những đối tượng mà độ dài suy giảm vận tốc vào cỡ kắch thước đặc trưng của một thiên hà nguyên thủy.
Vật chất tối nóng là những đối tượng mà độ dài suy giảm vận tốc lớn hơn rất nhiều so với kắch thước đặc trưng của một thiên hà nguyên thủy.
a. Vật chất tối lạnh
Ngày nay, vật chất tối lạnh là lời giải thắch đơn giản nhất cho hầu hết các quan sát vũ trụ học. Vật chất tối ỀlạnhỂ là vật chất tối bao gồm các thành phần có độ dài suy giảm vận tốc nhỏ hơn rất nhiều so với kắch thước đặc trưng của một thiên hà nguyên thủy. Đây hiện là lĩnh vực được quan tâm nhiều nhất khi nghiên cứu vật chất tối vì vật chất tối ỀnóngỂ dường như không được phù hợp cho các lý thuyết về sự hình thành các thiên hà và cụm thiên hà và hầu hết các ứng cử viên hạt trở nên phi tương đối tắnh vào những thời điểm rất sớm ngay sau khi nó được hình thành. Do đó được phân loại là vật chất tối lạnh.
Cấu tạo của các thành phần vật chất tối lạnh hiện vẫn chưa biết. Có rất nhiều khả năng và trải rộng từ các đối tượng có kắch thước lớn như MACHOs (như các lỗ đen) hoặc RAMBOs (cụm thiên hà tối) với các hạt mới như WIMP và axion. Khả năng liên quan đến vật chất baryon thường gồm các sao lùn nâu, các tàn dư trong quá trình hình thành sao như sao lùn trắng hoặc có thể là khối vật chất đặc được cấu thành từ các nguyên tố nặng.
Nhiều mô hình siêu đối xứng đã tiên đoán một cách tự nhiên các ứng cử viên vật chất tối bền vững dưới dạng các hạt đồng hành siêu đối xứng nhẹ nhất (LSP). Độc lập với nó là neutrino nặng tồn tại trong phần mở rộng không đối xứng của mô hình chuẩn để giải thắch khối lượng neutrino nhẹ thông qua cơ chế Ềcầu bập bênhỂ (seesaw).
b. Vật chất tối ấm (WDM)
Vật chất tối ấm dùng để chỉ các hạt có độ dài suy giảm vận tốc vào cỡ kắch thước đặc trưng của một thiên hà nguyên thủy. Điều này dẫn đến những dự đoán rất
56
giống với vật chất tối lạnh trên thang kắch thước lớn bao gồm cả CMB, sự hình thành cụm thiên hà và các đường phân bố vận tốc của các thiên hà lớn nhưng lại tiên đoán sự nhiễu động mật độ ở thang kắch thước nhỏ ắt hơn vật chất tối lạnh. Điều này làm giảm sự phong phú trong việc dự đoán của các thiên hà lùn và có thể dẫn đến mật độ của vật chất tối nhỏ hơn trong phần trung tâm của các thiên hà lớn. Một số nhà nghiên cứu cho rằng có thể coi vấn đề này phù hợp hơn để quan sát. Một thách thức cho mô hình này là không có các ứng cử viên nào có khối lượng cần thiết cỡ 300 eV tới 3000 eV.
Đến nay chưa phát hiện hạt thuộc loại vật chất tối ấm. Có một ứng cử viên cho loại hạt này là neutrino nặng: neutrino chậm và nặng hơn, thậm chắ không tương tác thông qua các tương tác yếu như neutrino thường.
c. Vật chất tối nóng (HDM)
Vật chất tối nóng bao gồm các hạt có độ dài suy giảm vận tốc lớn hơn rất nhiều so với kắch thước đặc trưng của một thiên hà nguyên thủy. Một vắ dụ về vật chất tối nóng đã được biết đến là neutrino. Neutrino được phát hiện khá tách biệt với việc tìm kiếm vật chất tối. Lần đầu tiên phát hiện ra vào năm 1956, neutrino có khối lượng rất nhỏ: nhỏ hơn ắt nhất 100000 lần khối lượng của electron. Ngoài tương tác hấp dẫn neutrino chỉ tương tác với vật chất thông thường thông qua các lực yếu làm chúng rất khó phát hiện. Nhờ tắnh chất này người ta xếp chúng thành hạt nhẹ tương tác yếu (WILPs), trái ngược với các ứng cử viên vật chất tối lạnh (WIMP).
Khái niệm vật chất tối nóng khá phổ biến trong thời gian đầu những năm 1980, nhưng nó mắc phải một vấn đề nghiêm trọng: Tất cả những nhiễu động mật độ vào cỡ kắch thước thiên hà bị loại bỏ bằng quá trình suy giảm vận tốc, các đối tượng đầu tiên có thể hình thành là cấu trúc khổng lồ ở kắch thước vào cỡ siêu đoàn, sau đó các đối tượng này được chia nhỏ thành các thiên hà. Những quan sát cho thấy rõ ràng rằng các thiên hà được hình thành từ những thời điểm rất sớm với những cụm thiên hà và siêu cụm thiên hà được hình thành như là sự co cụm của các
57
thiên hà. Do đó bất cứ mô hình nào trong đó vật chất tối nóng chiếm đa số thì đều mâu thuẫn với những quan sát.