CHƯƠNG II : VẬT CHẤT TỐI, NĂNG LƯỢNG TỐI
2.1. Khái niệm cơ bản
Rất nhiều người khi chưa nghiên cứu nhiều về vũ trụ học thường nhầm lẫn hai khái niệm này, coi chúng là một. Thực chất vật chất tối (dark matter) và năng lượng tối (dark energy) là hai khái niệm hoàn toàn độc lập từ lịch sử đến bản chất.
2.1.1. Vật chất tối (dark matter)
Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối chỉ đến một loại vật chất giả thuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa hiểu được. Vật chất tối không phát ra hay phản chiếu đủ bức xạ điện từ để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bị đo đạc hiện nay, nhưng có thể nhận nó ra vì những ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối với chất rắn hoặc các vật thể khác cũng như với toàn thể vũ trụ. Dựa trên hiểu biết hiện nay về những cấu trúc lớn hơn thiên hà, cũng như các lý thuyết được chấp nhận rộng rãi về Vụ Nổ Lớn (BigBang), các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất tối là thành phần cơ bản chiếm tới 70% vật chất trong vũ trụ.
Năm 1937, Fritz Zwicky (1898-1974) – một nhà thiên văn học người Mĩ gốc Thụy Sĩ – đã phát hiện ra sự xuất hiện của loại vật chất này khi đo vận tốc của các thiên hà trong quần thiên hà Coma, nằm cách Ngân hà chúng ta khoảng 370 triệu năm ánh sáng.
Áp dụng hiệu ứng Doppler, ông đã tiến hành đo đạc hàng trăm thiên hà trong đám Coma với giả định rằng đám thiên hà này cân bằng, không giãn nở cũng không tự co lại mạnh. Và ông đã thu được một kết quả là tổng khối lượng của đám Coma được suy từ chuyển động của các thiên hà cao hơn đáng kể so với tổng khối
SVTH: Nguyễn Thị Minh Đạt 30 lượng của các thiên hà cá thể. Nói cách khác, chỉ mình lực hấp dẫn tác dụng bởi vật chất sáng của các thiên hà thì khơng đủ để giữ các thiên hà ở lại với nhau trong đám. Chuyển động của các thiên hà này, đáng lẽ đã nhanh chóng làm chúng phân tán vào không gian giữa các thiên hà, và đám đã biến mất từ lâu lắm rồi. Nhưng thực tế, đám vẫn còn tồn tại trong bầu trời. Chỉ một kết luận khả dĩ, phải tồn tại một nguồn bổ sung lực hấp dẫn tác động bởi một vật chất tối chưa rõ bản chất khơng phát ra ánh sáng nhìn thấy được, nhưng giúp cho việc có thể giữ được các thiên hà trong đám. Đó là quan sát đầu tiên nhắc đến vật chất tối.[1]
Như vậy, người ta thường đo khối lượng của một thiên hà bằng 2 cách cơ bản.
+ Cách thứ nhất là sự phân tán vận tốc trong quần thiên hà: Thiên hà có khối lượng càng lớn sẽ càng có sự phân tán vận tốc rõ nét ra các thiên hà lân cận và nhờ phương pháp đó có thể xác định được tổng khối lượng của quần thiên hà.
+ Cách thứ hai là xác định độ trưng của các thiên hà để rút ra khối lượng của chúng và từ đó tính được tổng khối lượng của quần thiên hà. Điều đáng chú ý là khối lượng của một quần thiên hà tính theo cách thứ nhất ln lớn hơn rất nhiều khối lượng tính theo cách hai cho dù tính đến sai số rất cao.
Người ta nhận ra rằng có một số tỉ lệ nhất định về khối lượng đo được qua hai phương pháp trên. Sau cơng trình của nhà thiên văn học người Mĩ - Fritz Zwicky, các nhà thiên văn đã ứng dụng các phương pháp đo nói trên để nghiên cứu chuyển động của các thiên hà ở các đám khác và đưa ra kết quả: tổng khối lượng vật chất của các đám thiên hà bằng khoảng từ 10 đến 100 lần vật chất sáng, lớn hơn so với tỉ lệ này đối với các thiên hà riêng lẽ 3 đến 10 lần. Điều này có nghĩa vật chất tối chiếm hơn 90% tổng vật chất của các đám thuộc hai dạng: thứ nhất, vật chất nằm trong các quầng khơng nhìn thấy được quanh các thiên hà cá thể; thứ hai, vật chất nằm trong không gian giữa các thiên hà của đám và có khối
SVTH: Nguyễn Thị Minh Đạt 31 lượng lớn hơn gấp khoảng sáu lần. Có nghĩa là nó khẳng định cho việc vật chất tối có mặt tại khắp mọi nơi trong vũ trụ. [1]
Nghịch lí Olbers: Nghịch lí này là câu hỏi đặt ra tại sao với rất nhiều sao như thế mà vũ trụ không sáng rực mà lại tối đen như thế này, và tại sao vũ trụ không đạt được trạng thái cân bằng nhiệt với các ngơi sao?
Có một số người giải thích rằng vật chất tối nói tới ở trên đã "ăn" bớt mất ánh sáng, do đó chúng làm giảm một cách đáng kể mật độ ánh sáng trong vũ trụ. Tuy nhiên hiện nay thì chưa có kiểm chứng nào cho thấy hạt ánh sáng (photon) có thể bị hấp thụ.
Tuy nhiên, sự tồn tại phổ biến của vật chất tối cũng nói lên một vai trị rất quan trọng nữa của nó. Đó là nó đóng góp vào việc kiềm chế sự nở ra của vũ trụ, tránh cho vũ trụ có một cấu trúc khơng - thời gian lạm phát hồn tồn, như thế thì hẳn đã khơng có chúng ta ở đây.
2.1.2. Năng lượng tối (dark energy)
Năng lượng tối (dark energy) là dạng năng lượng lấp đầy không gian và gây ra sự giãn nở của vũ trụ. Năng lượng bí ẩn này được phát hiện vào năm 1998.
Vấn đề năng lượng tối có thể được giải quyết bằng việc nghiên cứu nền viba vũ trụ, tàn dư từ 380.000 năm sau BigBang. Nhiệt độ của vũ trụ lúc đó khoảng 3000 K. Bức xạ nền viba là bức xạ vật đen sinh ra từ plasma nguyên thủy. Vũ trụ chuyển từ thời kỳ bức xạ ngự trị sang thời kỳ vật chất ngự trị và bắt đầu trở nên trong suốt đối với các photon. Theo thời gian, vũ trụ giãn nở và nguội dần. Do sự giãn nở của vũ trụ, bức xạ tàn dư ban đầu bị dịch về phía đỏ. Và ngày hơm nay, sau 13,7 tỉ năm, bức xạ đó là bức xạ sóng ngắn của phổ điện từ tương ứng với nhiệt độ 2,726 K. Những số liệu gần đây về sự thăng giáng cường độ bức xạ nền đã củng cố cho mơ hình về một vũ trụ giãn nở mãi mãi. Sự chuyển pha của vũ trụ xảy ra ở vài giây đầu tiên sau Big Bang đã làm cho vũ trụ bị choán đầy bởi một
SVTH: Nguyễn Thị Minh Đạt 32 hằng số vũ trụ học. Lý thuyết này
cũng tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn bước sóng dài được tạo ra trong những thời khắc rất sớm của vũ trụ. Những sóng này được mang bởi những hạt giả thuyết là graviton và bước sóng được kéo dài ra bởi sự giãn nở của vũ trụ. Trong khi chờ
đợi, các nhà thiên văn đã tiến hành Hình 2.1. Mơ phỏng năng lượng tối.
những quan sát qua các vệ tinh để lập bản đồ và sự phân cực của nền viba vũ trụ với độ nhạy cao hơn và độ phân giải tốt hơn. Điều này sẽ giúp tiết lộ nhiều thông tin về sự giãn nở của vũ trụ và vai trò của năng lượng tối. [6]
Khác hẳn với vật chất tối, năng lượng tối (dark energy) là loại năng lượng ẩn chứa trong khơng gian trống rỗng của vũ trụ. Nó được suy ra từ kết quả của phương trình trường Einstein, phương trình nổi tiếng của thuyết tương đối rộng (general theory of relativity).
Hình 2.2. Albert Einstein và Erwin Schrưdinger – những người đầu tiên nghĩ đến
năng lượng tối.
Như chúng ta đều biết, phương trình trường chứa trong nó một hằng số vũ trụ học (cosmological constant) - một trong những hằng số quan trọng nhất của vũ trụ. Tuy nhiên nó từng bị chính Einstein bác bỏ vì sự có mặt của nó khiến phương trình trường mô tả một vũ trụ giãn nở vĩnh viễn với khởi đầu là một kì dị. Einstein
SVTH: Nguyễn Thị Minh Đạt – Lớp 09SVL 33 không tin vào những kì dị và xác xuất của nó, ơng từng nói "Chúa khơng chơi trị xúc xắc!", tuy nhiên những gì kiểm định từ lý thuyết BigBang lại cho thấy Chúa có “chơi”, và hằng số vũ trụ là cần thiết. Và hằng số này cho biết rằng mơ hình chuẩn của vũ trụ giãn nở lạm phát địi hỏi sự có mặt của một loại năng lượng tràn ngập không gian, đủ sức chống lại hấp dẫn của vật chất trong vũ trụ để làm nó giãn nở vĩnh viễn, và người ta đã gọi loại năng lượng này là "năng lượng tối"
Hình 2.3. Sự có mặt của năng lượng tối dẫn đến sự giãn nở lạm phát của vũ trụ và hiện nay tiếp tục làm vũ trụ giãn nở mãi mãi.
Thuyết tương đối rộng của Einstein đã chỉ ra rằng, vũ trụ sẽ phải suy sụp bởi chính sức mạnh hấp dẫn của nó. Cũng như nhiều khoa học gia thời đó, ơng đã cố chỉnh sửa các phương trình của thuyết tương đối rộng bằng cách thêm vào một hằng số, gọi là hằng số vũ trụ học, để mô tả một vũ trụ tĩnh tại không thay đổi theo thời gian. Tuy nhiên, hằng số này lại ám chỉ một lực đẩy cân bằng với lực hấp dẫn ở khoảng cách lớn để giữ cho vũ trụ không giãn nở và không co lại theo thời gian. Lúc đó, Einstein chỉ cho đó là một hiệu chỉnh tốn học chứ khơng hề nghĩ rằng, hằng số đó lại phản ánh một sự thực nào đó. Năm 1929, nhà thiên văn người Mỹ Endwin Hubble khám phá ra sự giãn nở của vũ trụ thì Einstein mới nói rằng, đó là sai lầm lớn nhất của đời ông và ông đã loại bỏ hằng số vũ trụ ra khỏi các phương trình của ơng. Các quan sát với kính thiên văn trong khơng gian cũng như trên mặt đất đã khẳng định chắc chắn thực tế đó, và hơn nữa, cho thấy, vũ trụ đang tăng tốc, các thiên hà đang lao vút trong không gian và rời xa nhau.
SVTH: Nguyễn Thị Minh Đạt – Lớp 09SVL 34 Nhưng ngày nay, hằng số vũ trụ học lại hồi sinh và có vẻ như Einstein đã đúng. Nó liên hệ chặt chẽ với một loại năng lượng của chân không lượng tử đang tràn ngập vũ trụ của chúng ta, năng lượng tối.
Theo các tính tốn hiện nay, năng lượng vũ trụ có đến 73% là năng lượng tối, 23% là năng lượng của vật chất tối và chỉ có 4% cịn lại là của vật chất thơng thường mà chúng ta biết.