CHƯƠNG II : VẬT CHẤT TỐI, NĂNG LƯỢNG TỐI
2.2. Đặc điểm, cấu tạo của vật chất tối, năng lượng tối
Hình 2.3. Hình dung về tỉ lệ thành phần vũ trụ: năng lượng tối 73%, vật chất tối 23%, khí Hidro, Heli tự do, các sao, neutrino, thành phần chất rắn và các phần còn lại 4%.
Trong những năm 1970 và 1980 các quan sát thực nghiệm cho thấy rằng khơng có đủ "vật chất khả kiến" (vật chất quan sát được) để làm nên vật chất trong các thiên hà và giữa các thiên hà để giữ chúng quay bằng lực hấp dẫn. Điều này dẫn đến ý tưởng cho rằng 90% vật chất trong vũ trụ là vật chất ngoại lai khơng phát ra bước sóng điện từ, khơng được tạo thành từ các hạt baryon gọi là vật chất
tối. Nếu khơng có giả thuyết về vật chất tối thì khơng giải thích được tại sao vũ trụ
lại q phẳng và có q ít deuterium đến thế. Lúc đầu, vật chất tối còn gây tranh cãi nhưng bây giờ nó được chấp nhận rộng rãi và được coi như một phần của mơ hình chuẩn Vũ trụ học nhờ vào các quan sát về tính dị hướng của bức xạ phơng vũ trụ, phân bố vận tốc của các đám thiên hà, phân bố cấu trúc trên vĩ mô của vũ trụ, nghiên cứu về thấu kính hấp dẫn, các phép đo tia X về đám thiên hà...
Vào tháng 6/2006, Italy đã phóng vệ tinh Pamela lên vũ trụ để nghiên cứu vật chất tối. Vệ tinh mang theo nhiều thiết bị có khả năng phát hiện các hạt vật
SVTH: Nguyễn Thị Minh Đạt – Lớp 09SVL 35 chất khơng nhìn thấy. Và có một thiết bị đã phát hiện khá nhiều hạt positron (có các thuộc tính giống hệt electron nhưng mang điện tích dương) trong một khoảng khơng gian có mức năng lượng lớn. Positron là hạt đối kháng (phản hạt) của electron. Khi hai hạt này gặp nhau, chúng sẽ biến mất và giải phóng năng lượng.
Piergiorgio Picozza, một giáo sư của Đại học Rome Tor Vergata (Italy), phát biểu: “Lẽ ra tỷ lệ positron với electron phải giảm xuống khi mức năng lượng tăng, nhưng thiết bị của chúng tôi lại phát hiện tỉ lệ đó tăng lên cùng với mức năng lượng. Thật kì lạ.”
Positron là phản hạt đầu tiên được phát hiện trong thế giới các hạt vi mô. Trong chân không, positron tồn tại rất lâu với thời gian sống cỡ 4,3×1023 năm, tuy nhiên, trong mơi trường, nó lại có thời gian sống khá ngắn do bị hủy gần như tức thời khi gặp electron. Với những kiến thức về positron và electron, các nhà khoa học có thể tính tốn được tỉ lệ giữa hai hạt ở một mức năng lượng nhất định.
Tuy nhiên, một số nhà khoa học cho rằng những hạt positron dư thừa đó có thể tới từ các ẩn tinh (ngơi sao chết siêu đặc, quay nhanh và giải phóng nhiều năng lượng vào khơng gian xung quanh). Chúng ta khơng nhìn thấy ẩn tinh bằng mắt thường mà chỉ phát hiện được chúng qua tín hiệu radio.
Giáo sư Picozza thừa nhận ẩn tinh có thể là một hướng giải thích, nhưng ơng nhấn mạnh rằng nhiều chun gia hàng đầu thế giới vẫn nghiêng về giả thiết mà theo đó, các hạt positron mà vệ tinh Pamela phát hiện tới từ vật chất tối. Ông lý luận rằng nếu cỗ máy Large Hadron Collider ở Thụy Sỹ có thể tạo ra các phản hạt thì điều đó có nghĩa ẩn tinh khơng phải là nguồn cung cấp positron duy nhất. Ơng khẳng định: “Khi đó chúng tơi có thể khẳng định chúng tơi đã tìm ra vật chất tối”.
SVTH: Nguyễn Thị Minh Đạt – Lớp 09SVL 36
2.2.1. Đặc điểm, cấu tạo của vật chất tối a) Cấu tạo a) Cấu tạo
Thành phần của vật chất tối chưa hiểu được, nhưng có thể bao gồm những hạt sơ cấp mới nghĩ đến, như là WIMP, axion, và neutrino thường và nặng; các thiên thể như là sao lùn trắng và hành tinh (được gọi chung là MACHO, massive compact halo object); và đám khí khơng phát ra ánh sáng. Bằng chứng hiện nay ủng hộ các mơ hình cho rằng thành phần chính của vật chất tối là những hạt sơ cấp chưa gặp.
Một phần của vật chất tối trong vũ trụ là những thiên thể không phát ra bức xạ. Những thiên thể vơ hình này là lõi của những ngơi sao hoặc những thiên hà, sau khi tiêu thụ hết nhiên liệu hạt nhân, ngôi sao nặng khoảng 10 lần Mặt Trời bị đổ sập dưới sức nặng của nó. Lúc đó mật độ vật chất trong sao cực lớn nên trường hấp dẫn của sao trở thành vơ tận. Muốn thốt khỏi sao, vật chất trong sao phải có vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng. Do không bức xạ ánh sáng nên thiên thể này tối đen và được gọi là Hố đen. Vì vậy cũng có thể xếp Hố đen vào một dạng vật chất tối. [1]
Ngồi Hố đen, vật chất tối cũng có thể là “sao lùn nâu”, loại thiên thể nữa sao, nữa hành tinh này chỉ phát ra những bức xạ rất yếu trên bước sóng hồng ngoại. Đó là những thiên thể nhẹ bằng một phần mười Mặt Trời, khơng đủ nóng để “nhóm” những phản ứng nhiệt hạch và tự phát ra ánh sáng. Những “sao lùn nâu” thường ở trong những luồng khí xung quanh các thiên hà.[1]
b) Đặc điểm
Theo Giáo sư Trịnh Xuân Thuận, vật chất tối có thể là những hạt nóng hoặc lạnh, các hạt nhẹ chuyển động rất nhanh gọi là “vật chất tối nóng”, những hạt nặng chuyển động uể oải hơn gọi là “vật chất tối lạnh”.
SVTH: Nguyễn Thị Minh Đạt – Lớp 09SVL 37 Không mang điện, khơng màu, tương tác yếu. Vì vậy vật chất tối khơng có trọng lực, khơng có lực điện từ hay các tương tác mạnh.
Hầu như không hề phát xạ hay hấp thụ ánh sáng.
Ổn định và tương tác rất yếu với vật chất thơng thường cho nên chúng có thể xun qua mọi khơng gian, vật chất khác như thể xuyên qua một không gian trong suốt.
Phần lớn vật chất tối khơng thể được nhìn thấy bằng mắt thường.
Các nhà khoa học đã nhận ra một số hiện tượng phù hợp với sự tồn tại của vật chất tối, bao gồm tốc độ quay của các thiên hà và tốc độ quỹ đạo của những thiên hà trong cụm; thấu kính hấp dẫn các thiên thể phía sau bởi những cụm thiên hà như là Bullet Cluster; và kiểu phân phối nhiệt độ của khí nóng ở các thiên hà và cụm thiên hà. Vật chất tối cũng có vai trị quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiến hóa thiên hà, và có ảnh hưởng đến tính khơng đẳng hướng (anisotropy) của bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Các hiện tượng này chỉ rằng vật chất quan sát được trong các 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 " vật chất tối".
2.2.1. Đặc điểm của năng lượng tối
Động lực chi phối sự tăng tốc vũ trụ thường được gán cho “năng lượng tối” – một chất liệu khơng biết, có tính đẩy hấp dẫn và chiếm đến 73% thành phần khối lượng - năng lượng của vũ trụ.
Dữ liệu hiện nay cho thấy năng lượng tối có thể là một số loại “hằng số vũ trụ học” do Einstein đề xuất lần đầu tiên vào năm 1917 và có một cách giải thích cơ lượng tử là năng lượng chân không.
SVTH: Nguyễn Thị Minh Đạt – Lớp 09SVL 38 Năng lượng tối cuối cùng có thể để lại cho vũ trụ của chúng ta toàn bộ sự tối tăm bởi việc làm cho các vật thể lùi xa khỏi Trái Đất ngày càng nhanh hơn nữa cho đến khi chùng mờ khuất tầm nhìn.