3.1- Khái niệm cơ bản:
Năng lượng tối là dạng năng lượng không phát sáng, có áp suất âm và phân bố dàn trãi trong vũ trụ. Theo những số đo của kính thiên văn vũ trụ Hubble, năng lượng tối đang đẩy vũ trụ giãn ra, dường như là năng lượng không đổi mà Albert Einstein từng dự đoán. Năng lượng này là một dạng năng lượng lạ, tác động theo cách đối lập với năng lượng hấp dẫn. Năng lượng tối làm cho các thiên hà trong vũ trụ di chuyển
V t lý 2 L03-Nhóm 7ậ
ra xa nhau với tốc độ ngày càng tăng. Einstein đã ám chỉ năng lượng này bằng một hằng số gọi là "hằng số vũ trụ". Lý thuyết của ông cho rằng vũ trụ không có năng lượng tối sẽ tự sụp đổ do suy sụp hấp dẫn nên sự tồn tại của năng lượng tối là để làm cho vũ trụ cân bằng với lực hấp dẫn bình thường và làm cho nó khỏi tự sụp đổ.
Cuối cùng, Einstein đã bác bỏ lý thuyết này do những quan sát thiên văn của Hubble chứng tỏ vũ trụ đang giản nở . Tuy nhiên, những quan sát về các vụ nổ siêu tân tinh hay những ngôi sao xa nổ tung cách đây từ lâu, đã tăng thêm tính tin cậy của lý thuyết trên. Các nhà khoa học cho rằng chính năng lượng tối là nguyên nhân làm vũ trụ giãn ra và tăng tốc độ. Theo tính toán của các nhà khoa học, năng lượng tối chiếm khoảng 68,3% vũ trụ, vật chất tối chiếm khoảng 26,8% vũ trụ, còn lại 4,9% là vật chất mà chúng ta thấy được hiện nay.
Hình 9. Tỷ lệ vật chất vũ trụ
Như đã biết năng lượng tối được giả thuyết như là một dạng của năng lượng và tạo ra áp suất âm. Thuyết tương đối rộng chỉ ra rằng, áp suất âm này có tác dụng nhưng ngược chiều với lực hấp dẫn ở thang đo khoảng cách lớn. Chính vì vậy nó là nguyên nhân gia tốc sự giãn nở của vũ trụ. Năng lượng tối có ở mọi nơi và lấp đầy vũ trụ của chúng ta. Để hiểu được bản chất của năng lượng tối chúng ta cần phải đi sâu vào vật lý lượng tử của thế giới hạ nguyên tử. Như chúng ta đã biết, ở thang vi mô, không gian được coi là trống rỗng hay chân không hoàn hảo thì không hoàn toàn trống rỗng mà được choáng đầy bởi một trường gọi là Higgs. Chính trường này đã đưa làm cho các hạt quark và lepton có khối lượng . Trường Higgs làm chậm chuyển động của hạt, cho chúng khối lượng và giữ cho cấu trúc của nguyên tử ổn
định. Nếu không có trường Higgs, electron có thể chuyển động với tốc độ ánh sáng, nguyên tử sẽ bị phá vỡ cấu trúc và tan rã ngay lập tức. Năng lượng chân không với các hạt lượng tử trong chân không hoàn hảo của thế giới vi mô[29] có thể là nguồn gốc của năng lượng tối. Việc khám phá ra lý thuyết siêu đối xứng, một phát biểu quan trọng của lý thuyết dây, cho phép hiểu rõ mối liên hệ giữa năng lượng tối và trường Higgs. Nếu tồn tại, các boson Higgs sẽ đóng một vai trò quan trọng về thành phần năng lượng tối.
3.2- Bản chất:
Có khá nhiều điều về bản chất của năng lượng tối vẫn còn là một vấn đề để suy đoán. Bằng chứng về sự tồn tại của năng lượng tối dù là gián tiếp nhưng đến từ ba nguồn tự do:
Tính toán khoảng cách và liên hệ của chúng với dịch chuyển đỏ, cho thấy rằng Vũ trụ đã giãn nở trong suốt nửa cuộc đời của nó.
Một nhu cầu trong lý thuyết về một loại năng lượng mà không là vật chất hay vật chất tối để hình thành nên vũ trụ phẳng nhìn thấy được (sự thiếu vắng của bất kỳ độ cong nào).
Nó có thể được suy ra khi tính toán các mô hình sóng cỡ lớn của tỷ trọng vật chất của Vũ trụ.
Vật chất tối dàn trải rất đồng đều, không quá dày và chưa bao giờ được nhìn thấy tiếp xúc hay phản ứng với các lực cơ bản ngoài trọng lực.
3.3- Bằng chứng cho sự tồn tại:
a. Siêu tân tinh:
Năm 1998, một quan sát được thực hiện trên một Siêu tân tinh loại Ia (Một A) bởi Đội Tìm kiếm Siêu tân tinh High-Z theo sau là Dự án Siêu tân tinh chỉ ra rằng tốc độ giãn nở của Vũ trụ đang tăng dần. Giải Nobel năm 2011 trong lĩnh vực Vật Lý được trao cho Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt và Adam G. Riess vì vai trò tiên phong trong phát hiện trên.
Từ đó, các quan sát trên đã được chứng thực bởi hàng loạt các nguồn tự do.
V t lý 2 L03-Nhóm 7ậ
Tính toán phông vi sóng Vũ trụ, hội tụ hấp dẫn và các cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ cũng như là các tính toán nâng cao trên các siêu tân tinh cùng nhất quán với mô hình Lamda-CDM . Một số người đã tranh luận rằng bằng chứng duy[30]
nhất chứng tỏ được sự tồn tại của một loại năng lượng như năng lượng tối là từ các quan sát trên việc tính toán khoảng cách và các dịch chuyển đỏ tương quan.
Bất đẳng hướng phông vi sóng vũ trụ và dao động âm thanh baryon là các quan sát duy nhất có dịch chuyển đỏ lớn hơn dự tính từ một Vũ trụ Friedmann- Lemaợtre nhỏ xớu và Hằng số Hubble.
Các quan sát gần đây trên các siêu tân tinh đều nhất quán với một Vũ trụ được tạo thành bởi 71,3% năng lượng tối và 27,4% tổng hợp của vật chất tối và vật chất baryon.
b. Phông vi song vũ trụ:
Sự tồn tại của năng lượng tối, trong bất kỳ hình thức nào, đều cần thiết để dung hòa các tính toán hình học của Vũ trụ với tổng vật chất trong Vũ trụ. Tính toán về bất đẳng hướng phông vi sóng Vũ trụ chỉ ra rằng Vũ trụ gần như phẳng.
Để hình dáng của Vũ trụ có thể có dạng phẳng, tỉ trọng vật chất-năng lượng của Vũ Trụ phải gần bằng tỷ trọng mật độ tới hạn. Tổng vật chất trong Vũ trụ (bao gồm cả các hạt baryon và vật chất tối), đã tính được qua quang phổ trong phông vi sóng, tính được chỉ có 30% mật độ giới hạn. Điều này nói lên rằng sự tồn tại của một dạng năng lượng khác chỉ còn 70%. Tàu vũ trụ Quả cầu Bất đẳng hướng Vi sóng Wilkinson (WMAP ) mất bảy năm phân tích đã đưa ra kết luận một Vũ[31]
trụ cấu tạo từ 72.8% năng lượng tối, 22.7% vật chất tối và 4.5% vật chất thường.
Các thí nghiệm hoàn thành năm 2013 dựa trên các quan sát của tàu vũ trụ Planck trên phông vi sóng đã đưa ra kết quả chính xác hơn là 68.3% năng lượng tối.
26.8% vật chất tối và 4.9% vật chất thường.
3.4- Các mô hình năng lượng tối:
a. Mô hình hằng số vũ trụ :
Mô hình đơn giản nhất để giải thích cho sự tồn tại của năng lượng tối là hằng số vũ trụ.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, ông 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 , 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 (nghiệm của các phương trình Einstein là nghiệm dừng). Lúc đó, Einstein chỉ cho đó là một hiệu chỉnh toán học chứ không 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 ngu ngốc lớn nhất của đời ông. Các quan sát với kính thiên văn trong không 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.
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, mà ta gọi năng lượng tối.
b. Các mô hình trường vô hướng cho năng lượng tối:
Mô hình nguyên tố thứ năm (Quintessence):
Thay vì cố đưa hằng số vũ trụ vào để giải thích sự tồn tại của năng lượng tối, ta cũng có đi đến các mô hình trường vô hướng tổng quát hơn để giải thích sự tồn tại của dạng năng lượng mới này. Một trong các mô hình trường vô hướng tiêu biểu là mô hình nguyên tố hạt thứ năm (Quintessence). Quintessence tương tự như những trường cơ bản khác bao gồm trọng lực và điện từ, những có một số thuộc tính đặc biệt. Ví dụ, cường độ của trường này giống hết nhau trong toàn vũ trụ. Một đặc trưng quan trọng khác đó là nó đóng vai trò chống lực hấp dẫn khiến các vật thể di chuyển ra xa nhau thay vì kéo lại gần nhau như lực hấp dẫn
Ở dạng đơn giản nhất, cường độ của trường Quintessence không thay đổi theo thời gian. Trong trường hợp này nó đóng vai trò hằng số vũ trụ, một thuật ngữ mà Albert Eisntein thêm vào lý thuyết tương đối để giữ cho vũ trụ không bị co lại vì lực hấp dẫn.
Khi bằng chứng cho thấy vũ trụ đang mở rộng, Einstein bỏ thuật ngữ này, vì vũ trụ đang mở rộng là lời giải cho phương trình tương đối. Rồi đến cuối những năm 90, những nghiên cứu về siêu tân tinh (những vụ nổ sáng cực mạnh làm sáng bừng toàn bộ thiên hà chứa hàng triệu ngôi sao) chỉ ra rằng vũ trụ không chỉ đang mở rộng mà tốc độ mở rộng đang nhanh dần lên chứ không chậm lại như các nhà khoa học dự đoán. Điều này làm các nhà vũ trụ học bối rối, vì họ cho rằng trọng lực là lực khoảng cách duy nhất ở giữa các vật thể thiên văn học. Vì vậy họ không biết cái gì đang đẩy mọi thứ ra xa nhau. Cách đơn giản nhất để giải thích cho hiện tượng kỳ lạ này đó là quay trở lại hằng số vũ trụ của Einstein với thuộc tính chống lực hấp dẫn của nó. Nhưng thật không may mắn, giải thích này có một số nhược điểm nghiêm trọng,
V t lý 2 L03-Nhóm 7ậ
nên các nhà vật lý đã cố gắng tìm kiếm những tác nhân chống trọng lực khác. Những tác nhân này thường cần đến trường quintessence hoặc thậm chí những trường kỳ lạ hơn. Tất cả những trường này đều chưa được phát hiện thấy trong tự nhiên, tuy nhiên thành phần của chúng cho thấy chúng không tương tác nhiều với vật chất và bức xạ thông thường.
Ngoài ra còn có Trường Tachyon, Trường Plantom và mô hình K-essence,....
c. Mô hình Brans-Dicke cho năng lượng tối (BD):
Trong vật lý lý thuyết, lý thuyết hấp dẫn Brans-Dicke là một khung lý thuyết để giải thích lực hấp dẫn. Nó là đối thủ của thuyết tương đối rộng của Einstein. Nó là một lý thuyết hấp dẫn trong đó tương tác hấp dẫn được làm trung gian bởi trường vô hướng của thuyết tương đối rộng. (Hằng số hấp dẫn G không được cho là không đổi mà thay vào đó là được thay thế bằng trường vô hướng có thể thay đổi theo từng nơi, theo từng thời điểm.
d. Mô hình các chiều ngoại phụ (extra dimension):
Lý thuyết này cho rằng năng lượng tối mà chúng ta nghiên cứu là do tính không đồng nhất và không đẳng hướng của vũ trụ. Vũ trụ trong mô hình này bao gồm vũ trụ 4 chiều (4D) Einstein (3 chiều không gian với 1 chiều thời gian) và các chiều ngoại phụ (extra dimension) được thêm vào do tính không đồng nhất, không đẳng hướng của vũ trụ.
Mô hình dựa trên không-thời gian 1+3+n chiều với n là số chiều ngoại phụ. Với giả thuyết rằng khi thêm vào số các chiều ngoại phụ thì vũ trụ sẽ trở thành đồng nhất và đẳng hướng.