Tìm hiểu về vũ trụ và một số hiện tượng trong vũ trụ

Trong môn Thiên văn học mà tôi được học ở giảng đường, tôi cũng được học tổng quát về nguồn gốc, đặc điểm, một số dạng vật chất, hiện tượng trong vũ trụ, …, trong đó “Hố đen”, “vật chất

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày xưa, khi chưa có lịch ngày tháng năm, trong quá trình sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi, nhân dân lao động thời đại cổ đã biết lợi dụng các hiện tượng thiên văn để xác định thời vụ gieo trồng Trong sách cổ Trung Quốc có ghi:

“Chuôi chòm sao Bắc Đẩu chỉ về phía Đông tức là mùa xuân, chuôi chòm sao Bắc Đẩu chỉ về phía Nam tức là mùa hạ, chuôi chòm sao Bắc Đẩu chỉ về phía Tây tức

là mùa thu, chuôi chòm sao Bắc Đẩu chỉ về phía Bắc tức là mùa đông” Ngư dân

và các nhà hàng hải xưa đã biết quan sát các chòm sao trên trời để xác định phương hướng, quan sát Mặt Trăng để nắm bắt thủy triều lên xuống,

Ánh nắng sáng rực, ánh trăng dịu dàng, ánh sao lấp lánh, nhật thực tráng lệ Chúng đều đặt ra cho con người chúng ta rất nhiều những câu hỏi nghi ngờ Rồi đến những câu hỏi lớn hơn: Trái Đất mà chúng ta sinh sống như thế nào? Nó chiếm vị trí gì trong vũ trụ? Làm thế nào Mặt Trời có thể phát ra những tia nắng sáng rực? Ngoài Trái Đất của chúng ta ra, trên những hành tinh khác có sự sống hay không? Một loạt, rất nhiều những câu hỏi từ đời thường cho tới những câu hỏi khó luôn khiến con người ta phải trăn trở Chính vì vậy ngành Thiên văn học được ra đời và ngày càng phát triển rất mạnh mẽ

Thiên văn học là một ngành khoa học cơ bản nghiên cứu, quan sát và giải thích các sự việc, hiện tượng, vật thể nằm ngoài Trái Đất và bầu khí quyển của nó

Nó nghiên cứu nguồn gốc, sự tiến hóa, bản chất lý hóa của các thiên thể và các quá trình liên quan đến chúng Ví dụ như Trái Đất, Mặt Trời, các hành tinh của Thái Dương Hệ cũng như các ngôi sao khác trong vũ trụ, các vệ tinh quay xung quanh các hành tinh của các sao này, sự vận hành và phát triển của chúng,

Vật lý đóng một vai trò quan trọng trong môn thiên văn học, đặc biệt là ngành Vật lý thiên văn dùng để giải thích các quá trình xảy ra trong vũ trụ bằng các định luật Vật lý Do đó, hầu như tất cả các nhà thiên văn học đều có nền tảng vững chắc về Vật lý Tuy nhiên, Thiên văn học cũng là một ngành khoa học khá bình dân và mang tính chất gần đúng, cho nên số người nghiên cứu nghiệp dư đã tham gia và đóng góp cũng rất nhiều

Là một sinh viên Vật lí ở trường Đại Học Sư Phạm chỉ được học về Thiên văn đại cương thì những kiến thức Thiên văn hiện đại, đặc biệt là những vấn đề liên quan đến vũ trụ còn khá mới mẻ và ít ỏi Tuy nhiên, không vì vậy mà tôi không thấy được điểm thú vị của môn học, ngược lại tôi lại càng thấy yêu thích môn học này Và bởi vì kiến thức được học không nhiều nên tôi càng muốn biết nhiều hơn những gì mình chưa biết, hiểu nhiều hơn những gì mình chưa hiểu Trong môn Thiên văn học mà tôi được học ở giảng đường, tôi cũng được học tổng quát về nguồn gốc, đặc điểm, một số dạng vật chất, hiện tượng trong vũ trụ, …, trong đó “Hố đen”, “vật chất tối, năng lượng tối” là chủ đề được mọi người quan tâm nhiều trong những năm gần đây Tuy nhiên sự tò mò của bản thân không cho phép tôi dừng lại, chấp nhận với những kiến thức được truyền đạt Tôi muốn tìm hiểu nhiều hơn nữa về vũ trụ của chúng ta, không chỉ về vũ trụ hiện tại mà cả số phận của vũ trụ trong tương lai trước một số hiện tượng xảy ra trong vũ trụ như:

sự giãn nở của vũ trụ, các vụ va chạm thiên hà, thiên thạch, rác vũ trụ, Hố đen, vật chất tối, năng lượng tối – những vấn đề đang ngày càng được giới khoa học cũng như những người yêu thích thiên văn tìm hiểu, nghiên cứu

Chính vì vậy, khi được làm khóa luận, tôi chọn ngay đề tài: “Tìm hiểu về

vũ trụ và một số hiện tượng trong vũ trụ” để tìm hiểu nhiều hơn về lịch sử hình thành và phát triển của vũ trụ, tìm hiểu một số hiện tượng trong vũ trụ, từ đó tìm hiểu những ảnh hưởng của các hiện tượng đó đến vũ trụ, cụ thể là đến Ngân hà của

chúng ta như thế nào Và tôi rất mong nhận được sự góp ý của Hội đồng xét duyệt, của thầy cô và ý kiến của các bạn đọc để khóa luận được hoàn thiện hơn

2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là vũ trụ rộng lớn, vật chất tối, năng lượng tối, Hố đen và một số hiện tượng xảy ra trong vũ trụ

3 Nội dung nghiên cứu:

Nội dung nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu các vấn đề sau:

+ Tìm hiểu về vũ trụ (các sao và thiên hà)

+ Tìm hiểu về vật chất tối, năng lượng tối

+ Tìm hiểu về “Hố đen” và những ảnh hưởng của nó đến vũ trụ

+ Tìm hiểu một số hiện tượng trong vũ trụ và ảnh hưởng của chúng đến Ngân hà, Trái Đất của chúng ta

4 Phương pháp nghiên cứu

Tra cứu, đọc và xử lý các thông tin thu được trong sách, báo, Internet và các tài liệu có liên quan đến đề tài, có sự kết hợp giữa kiến thức thiên văn và vật lí học hiện đại

Trao đổi, thảo luận với bạn bè những thông tin thu thập được

Trao đổi và xin ý kiến của giáo viên hướng dẫn để kiểm tra tính chính xác của thông tin thu thập được

5 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu cơ bản của đề tài là thông qua việc nghiên cứu về cấu trúc vũ trụ, các thuyết liên quan đến sự hình thành vũ trụ, một số hiện tượng, vật chất xung quanh vũ trụ, cho ta cái nhìn rộng lớn hơn về vũ trụ trong quá khứ, hiện tại và cả trong tương lai Đem lại cho người đọc thái độ thích thú hơn, quan tâm hơn đối với Thiên văn học Xa hơn nưa, đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho những ai yêu thích thiên văn muốn nghiên cứu lĩnh vực này

6 Kết quả đạt được

* Giới thiệu sơ lược về Vũ trụ và các sao

Giới thiệu sơ lược về vũ trụ, thiên hà

Giới thiệu về các sao: cấu tạo, vận động, tuổi của các ngôi sao

* Giới thiệu về vật chất tối, năng lượng tối

Giới thiệu khái niệm và đặc điểm của vật chất tối, năng lượng tối

Nêu được một số ảnh hưởng của vật chất tối, năng lượng tối trong vũ trụ

* Tìm hiểu, giới thiệu một số hiện tượng trong vũ trụ

Tìm hiểu về Hố đen:

+Trả lời được câu hỏi: Hố đen là gì?

+Trình bày được cấu tạo và sự hình thành của Hố đen

+Trình bày các giả thuyết dẫn đến sự hình thành Hố đen

Nêu và mô tả hiện tượng vũ trụ giãn nở

Nêu và mô tả được một số va chạm trong vũ trụ, thiên thạch, rác vũ trụ

*Trình bày được ảnh hưởng của các hiện tượng trong vũ trụ đến vũ trụ và đến Ngân hà của chúng ta

5 Cấu trúc của khóa luận gồm 3 phần chính:

Phần 1: Mở đầu

Phần 2: Phần nội dung

+ Chương I: Cấu trúc vũ trụ và các sao

+ Chương II: Vật chất tối, năng lượng tối

+ Chương III: Một số hiện tượng trong vũ trụ

+ Chương IV: Ngân hà trước một số hiện tượng trong vũ trụ

Phần 3: Kết luận

+ Tài liệu tham khảo

+ Mục lục

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: CẤU TRÚC VŨ TRỤ VÀ CÁC SAO

[1], [5], [9], [12], [14], [15]

Hình 1.1 Cấu trúc Hệ Mặt Trời

Như chúng ta đã thấy trên đây về cấu trúc của Hệ Mặt Trời, Trái Đất, nơi

mà con người chúng ta đang sinh sống chỉ là một hành tinh rất nhỏ bé trong Thái Dương Hệ, và Thái Dương Hệ so với vũ trụ rộng lớn mà nói, thì cũng chỉ là một thành phần rất nhỏ bé mà thôi Bởi vậy trong vũ trụ bao la này, con người ta thật là nhỏ bé, như những hạt cát giữa sa mạc mênh mông hay những phân tử Hiđro trong lòng Mặt Trời vậy

Tuy nhiên, con người có hoài bão, khát vọng mà không có bất kì sinh vật nào có thể sánh bằng Con người luôn không ngừng nghiên cứu, khám phá vũ trụ

để có thể phục vụ cho cuộc sống của chính mình Từ thuở sơ khai con người đã biết nhìn xa vào vũ trụ rộng lớn Từ việc tưởng tượng ra những vị thần đang ngự

trị và cai quản vũ trụ, con người ta dần khám phá ra được thực chất của các ngôi sao lấp lánh hay Mặt Trời đỏ rực chỉ là những khối cầu quay Từ việc cho rằng Mặt Trời quay quanh Trái Đất cho đến việc biết được rằng Trái Đất cũng như các hành tinh khác trong Thái Dương Hệ, cũng quay quanh Mặt Trời với một quỹ đạo hình Elip là cả quá trình nghiên cứu dài hơn 1000 năm Quá trình nghiên cứu về

vũ trụ của con người là một quá trình cần mẫn, lâu dài, tỉ mỉ, để rồi dần dần, từ từ, con người ta có thể nhìn xa hơn, sâu hơn vào vũ trụ tưởng như là vô biên này, dự đoán cho tương lai của vũ trụ, của sự sống con người Và vũ trụ rộng lớn của chúng ta, vũ trụ mà khi con người xuất hiện đã có nó, con người không được chứng kiến sự hình thành của vũ trụ nhưng lại luôn muốn nghiên cứu về vũ trụ Để làm được những điều này con người ta đã và đang nhìn về quá khứ, nhìn về thời điểm khi mà vũ trụ bắt đầu hình thành Đã có rất nhiều những giả thuyết về sự hình thành của vũ trụ, các thuyết có thể là đối lập nhau, hoặc nối tiếp nhau để dựng lại quá trình hình thành vũ trụ Cái gì cũng có cơ sở để tồn tại và phát triển

Vũ trụ to lớn của chúng ta càng phải vậy, cơ sở của vũ trụ là các thuyết (đã được công nhận)

Trong giới hạn của đề tài này tôi chỉ xin trình bày sơ lược về vũ trụ và các thuyết của nó, tìm hiểu một số hiện tượng xảy ra trong vũ trụ và ảnh hưởng của các hiện tượng đó đến Ngân hà, đến cuộc sống của con người sau này như thế nào

1.1 Sơ lược về vũ trụ

1.1.1 Một số thuyết về vũ trụ

1.1.1.1 Thuyết tương đối rộng – thuyết tương đối tổng quát

Cơ học Newton cho rằng các hiện tượng cơ học chỉ liên quan đến các lực cơ bản đều xảy ra như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính, nhưng không nói rõ các hiện tượng khác trong nhiệt động lực học, điện từ học, có xảy

ra như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính hay không Điện từ học chỉ ra rằng

tương tác từ xảy ra chủ yếu là do chuyển động của các hạt mang điện Như vậy có thể trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau các hiện tượng điện từ sẽ xảy ra khác nhau Nhiều thí nghiệm được thực hiện với các hệ quy chiếu quán tính khác nhau với mục đích tìm ra một hệ quy chiếu quán tính mà ở đó tốc độ ánh sáng khác hẳn với tốc độ ánh sáng trong các hệ quy chiếu quán tính khác Nhưng những thí nghiệm đó không đạt được kết quả

Năm 1905 Einstein phát biểu

nguyên lý tương đối về sự bình đẳng của

các hệ quy chiếu quán tính với hai tiên đề

* Tiên đề đầu tiên: “Mọi hiện

tượng vật lý (cơ học, nhiệt động lực

học, điện từ học ) đều xảy ra như nhau

trong các hệ quy chiếu quán tính” Hình 1.2 Albert Einstein (1879 - 1955)

Tiên đề này chỉ ra rằng các phương trình mô tả các hiện tượng tự nhiên đều có cùng dạng như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính Nó cũng phủ định sự tồn tại của một hệ quy chiếu quán tính đặc biệt, như một hệ quy chiếu đứng yên thật sự Nói cách khác mọi hệ quy chiếu quán tính là hoàn toàn tương đương nhau

Từ tiên đề này các nhà khoa học khẳng định không thể tồn tại một môi trường ête truyền sóng điện từ (ánh sáng) với một vận tốc khác biệt các hệ quy chiếu khác

*Tiên đề thứ hai, theo phát biểu ban đầu của Einstein: “Tốc độ ánh sáng

trong chân không là một đại lượng không đổi trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính”

Thực tế giả thuyết này có thể suy trực tiếp từ tiên đề đầu tiên Mọi phương trình vật lý không thay đổi khi đi từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ

quy chiếu quán tính khác, nghĩa là các phương trình Maxwell cũng bất biến, và một kết quả của nó là tiên đoán về tốc độ ánh sáng cũng phải bất biến Do đó giả thuyết này không thể là tiên đề, chỉ là hệ quả của tiên đề tổng quát đầu tiên, nếu xem lý thuyết điện từ Maxwell là đúng

Năm 1916 nhà vật lý người Đức - Albert Einstein - công bố thuyết tương đối rộng (thuyết tương đối tổng quát) và hiện tại được xem là lý thuyết miêu

tả hấp dẫn thành công của vật lý hiện đại Thuyết tương đối tổng quát thống nhất thuyết tương đối hẹp và định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, đồng thời nó miêu

tả lực hấp dẫn (trường hấp dẫn) như là một tính chất hình học của không gian và thời gian

Đặc biệt, độ cong của không thời gian có liên hệ chặt chẽ trực tiếp với năng lượng và động lượng của vật chất và bức xạ Liên hệ này được xác định bằng phương trình trường Einstein, một hệ phương trình đạo hàm riêng phi tuyến

Trong đó: : tenxơ Einstein;

: tenxơ độ cong Ricci R: độ cong vô hướng (vô hướng Ricci)

: tenxơ metric Λ: hằng số vũ trụ học G: hằng số hấp dẫn (giống như hằng số hấp dẫn trong định luật hấp dẫn của Newton)

c: tốc độ của ánh sáng trong chân không

: tenxơ ứng suất-năng lượng

c4 μυ (Phương trình trường Einstein)

Hình 1.3 Ánh sáng bị bẻ cong (phát ra từ nguồn điểm màu xanh) gần vật thể nén

đặc (có màu xám)

Nhiều tiên đoán và hệ quả của thuyết tương đối rộng khác biệt hẳn so với kết quả của vật lý cổ điển, đặc biệt khi đề cập đến sự trôi đi của thời gian, hình học của không gian, chuyển động của vật thể khi rơi tự do và sự lan truyền của ánh sáng Những sự khác biệt như vậy bao gồm sự giãn thời gian do hấp dẫn, thấu kính hấp dẫn, dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của ánh sáng, và sự trễ thời gian do hấp dẫn Cho tới nay mọi quan sát và thí nghiệm đều xác nhận các hiệu ứng này Mặc dù có một số lý thuyết khác về lực hấp dẫn cũng được nêu ra, nhưng

lý thuyết tương đối tổng quát là một lý thuyết đơn giản nhất phù hợp các dữ liệu thực nghiệm

*Thấu kính hấp dẫn: Thấu kính hấp dẫn là vật thể mà bằng trường hấp

dẫn của mình làm cong các tia sáng đi gần hoặc xuyên qua chúng Bởi vậy nên hình ảnh của một nguồn ở xa (sao, thiên hà, …) bị biến dạng hoặc thậm chí xuất

hiện dưới dạng một số hình ảnh riêng lẻ Và chỉ có các thiên thể có khối lượng lớn như những ngôi sao hoặc các thiên hà mới có khả năng tạo ra hiệu ứng đáng kể

Hình 1.4 Sơ đồ hiện tượng thấu kính hấp dẫn

Các tia sáng bị cong đi là do mỗi photon ánh sáng, có thể được xem như một hạt có khối lượng Do vậy, khi ở gần một vật thể hấp dẫn, quỹ đạo của photon phải lệch khỏi đường thẳng Năm 1919, nhà Vật lý thiên văn Anh, Arthur Stanley Eddington là người đầu tiên khám phá ra hiệu ứng này trong thời gian quan sát hiện tượng nhật thực toàn phần tại đảo Principe (Nam Phi), ông quan sát thấy được các ngôi sao xa Mặt Trời hơn là khi ánh sáng của chúng chiếu theo một đường thẳng Góc mà các photon bị lệch đi trong trường hấp dẫn của Mặt Trời phù hợp hoàn toàn với những tiên đoán của thuyết tương đối Einstein

Lý thuyết của Einstein có nhiều ứng dụng quan trọng trong vật lý thiên văn

Nó chỉ ra trực tiếp sự tồn tại của lỗ đen – những vùng của không-thời gian trong

đó không gian và thời gian bị bóp méo đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được – trạng thái cuối cùng của các ngôi sao khối lượng lớn Có rất nhiều nguồn bức xạ mạnh phát ra từ các thiên thể mà các nhà thiên văn cho là lỗ đen, ví

dụ, các hệ sao đôi tia X và nhân các thiên hà hoạt động thể hiện sự có mặt của

View from Chandra

A

B

tương ứng lỗ đen khối lượng sao và lỗ đen có khối lượng khổng lồ Sự lệch của tia sáng do trường hấp dẫn làm xuất hiện hiệu ứng thấu kính hấp dẫn, trong đó nhiều hình ảnh của cùng một thiên hà hiện lên qua ảnh chụp Thuyết tương đối tổng quát tiên đoán sự tồn tại của sóng hấp dẫn, mà đã được xác nhận một cách gián tiếp; và hiện nay đang có nhiều dự án với mục đích đo được trực tiếp sóng hấp dẫn

như LIGO và Ăngten không gian giao thoa kế laser LISA của NASA/ESA cũng

như nỗ lực phát hiện sự biến đổi nhỏ trong tín hiệu thu được từ các pulsar bằng nhiều kính thiên văn vô tuyến Hơn nữa, thuyết tương đối rộng còn là cơ sở cho các mô hình vũ trụ học hiện tại về sự đang giãn nở không ngừng của vũ trụ

1.1.1.2 Thuyết BIGBANG [5], [8]

Trong nhiều thế kỉ, con người đã quan sát những vì sao và tự hỏi rằng

vũ trụ được tạo ra như thế nào, hiện tại và tương lai của nó ra sao Câu hỏi này đã trở thành một đề tài tranh luận dường như là bất tận Từ tôn giáo đến khoa học, vấn đề này đã đồng hành cùng con người trong suốt lịch sử nhân loại Rất nhiều nhà khoa học vĩ đại cũng đã bị cuốn vào nó, có thể kể ra rất nhiều cái tên như Edwin Hubble, Albert Einstein hay Stephen Hawking, Và một trong những mô hình được chấp nhận rộng rãi nhất chính là học thuyết Big Bang

Ở những khoảnh khắc sơ khai khi vũ trụ hình thành, khoảng không đó, bao gồm tất cả những vật chất và năng lượng của vũ trụ được nén vào một điểm duy nhất – một điểm có khối lượng và mật độ lên đến ngưỡng vô cùng - và các nhà vũ trụ học gọi nó là điểm Singularity, rồi sau đó, BANG, vật chất được bắn đi khắp nơi - và kết quả là vũ trụ được sinh ra

Vậy câu hỏi đặt ra là, vũ trụ sẽ như thế nào vào thời điểm bắt đầu xảy ra Big Bang Vật chất rất dày đặc và rất nóng, nhưng sau đó, do sự giãn nở rất nhanh, nên mật độ và nhiệt độ dần dần hạ xuống Cùng với sự giãn nở này, vật chất bắt

đầu hình thành, các bức xạ mất dần năng lượng Và chỉ trong một vài giây, vũ trụ được hình thành, trải dài đến vô tận chỉ từ một điểm đen duy nhất

George Gamow cùng các đồng sự đã nghiên cứu và cho rằng các phản ứng hạt nhân trong giai đoạn sớm của vũ trụ, tức ở trạng thái vừa mới xảy ra vụ nổ chưa được một giây đồng hồ thì tất cả vật chất đều là proton, nơtron, và electron xuất hiện trong một đại dương bức xạ năng lượng cao Tại một nhiệt độ nhất định các proton và nơtron kết hợp với nhau để tạo thành các hạt nhân của nguyên tố hiđro và heli, liti [1]

Vũ trụ được sinh ra từ vụ nổ như sau:

Hình 1.5 BigBang (minh họa)

Theo thuyết Vụ Nổ Lớn (BigBang), vũ trụ bắt nguồn từ một trạng thái vô cùng đặc và vô cùng nóng (điểm dưới cùng) Từ đó, không gian đã mở rộng cùng với thời gian và làm cho các thiên hà di chuyển xa nhau hơn

Hình 1.6 Các giai đoạn phát triển của vũ trụ từ BigBang

+ t = 0s : Vũ trụ ra đời bằng Big Bang, mật độ vật chất và nhiệt độ bằng

vô hạn, tại điểm này các định luật vật lý đã biết và thuyết tương đối rộng không áp dụng được

+ t = 10-43s : Thời điểm này gọi điểm Planck, vũ trụ vô cùng nhỏ bé, kích thước vũ trụ là khoảng 10-35m, nhiệt độ ước tính của vũ trụ lúc này khoảng

1032K và khối lượng riêng là 1091kg/cm3, gọi là các trị số Planck Từ thời điểm này

phóng năng lượng dưới dạng photon Các lepton chiếm ưu thế trong vũ trụ và ở trạng thái cân bằng với các photon, nhiệt độ ước tính của vũ trụ khoảng 1012K

+ t = 1s: Vũ trụ tràn ngập bởi các hạt lepton, boson, nuclon và meson, nhiệt độ vũ trụ giảm còn 1010 K

+ t = 3 phút: Các nơtron và proton không còn đủ năng lượng phá vỡ liên kết giữa chúng để thoát khỏi hạt nhân nữa, các hạt nhân H và He hình thành liên tiếp và chiếm ưu thế trong vũ trụ, T = 109K

+ t = 300000 năm: Vật chất và bức xạ thôi liên kết, các electron kết hợp với hạt nhân tạo thành nguyên tử, vật chất bắt đầu được định hình như ngày nay, bức xạ tồn tại một cách độc lập và nguội dần tới nhiệt độ hiện nay ≈ 2,73 K, T=3000K

+ t = 1 tỉ năm: Các thiên hà đầu tiên ra đời cùng các ngôi sao

+ t = 15 tỉ năm: Hiện nay, nhiệt độ T ≈ 3K

Đinh luật giãn nở vũ trụ của Hubble đã bước đầu chứng minh sự đúng đắn của lý thuyết BigBang

Bức xạ phông viba vũ trụ được phát hiện (1995) là chứng cớ rõ ràng nữa về sự đúng đắn của lý thuyết Big Bang Bức xạ phông vi ba tràn ngập vũ trụ hiện nay là bức xạ còn sót lại (đã nguội đi tới nhiệt độ 2,7 K do sự nở của vũ trụ) khi nó tách rời khỏi vật chất ở thời điểm khoảng 300.000 năm kể từ quả cầu lửa nguyên thủy và nhiệt độ vũ trụ lúc ấy đã hạ xuống còn khoảng 3000 K, ở nhiệt độ này các electron và hạt nhân hiđro bắt đầu liên kết lại thành nguyên tử trung hòa ("tái hợp", do đó không tương tác với photon nữa) Bức xạ phông vi ba vũ trụ do

đó mang hình ảnh của vũ trụ khi nó đã 300.000 năm tuổi mà chúng ta đã "đào được" (bức xạ hóa thạch) và là chứng cứ lâu đời nhất về vũ trụ còn giữ được đến ngày nay

Hình 1.7 Bản đồ bức xạ phông viba vũ

trụ từ các kết quả đo của vệ tinh COBE

công bố năm 1992 Những vùng có màu

xanh nguội hơn và những vùng có màu

hồng nóng hơn so với nhiệt độ trung

bình

Hình 1.8 Bản đồ bức xạ phông viba vũ trụ từ các kết quả đo của vệ tinh WMAP công bố năm 2003, độ phân giải đạt được cao hơn nhiều so với các kết quả

từ vệ tinh COBE

Những điểm nguội là những phần của vũ trụ sớm có mật độ cao hơn trung bình và là những cái "mầm" từ đó mọc lên các cụm thiên hà

Hình 1.9 Phổ của bức xạ phông viba vũ trụ theo các kết quả đo của COBE có

dạng chính xác là đường cong Planck ở nhiệt độ 2,726 K

Thành công của lý thuyết tổng hợp nguyên tố nguyên thủy là một cái trụ lớn nữa về sự đúng đắn của lý thuyết Big Bang Với ba cái trụ đã xây dựng được,

lý thuyết Big Bang đã được xem là Mô hình chuẩn của vũ trụ học Mô hình này

đã được mở rộng cho vũ trụ rất sớm dựa trên các thành tựu mới nhất của vật lý hạt; những hạn chế còn lại của nó được xem là có thể giải quyết được với lý thuyết vũ trụ lạm phát

* Những hạn chế của lý thuyết Big Bang Giải pháp: Vũ trụ lạm phát

Mô hình Big Bang như đã trình bày có một số hạn chế:

- Tính trơn tru quy mô lớn: Tại sao không gian lại đồng nhất và đẳng hướng?

- Tính không đồng nhất quy mô nhỏ: Nguồn gốc của các thăng giáng mật độ nguyên thủy ?

- Tính phẳng không gian của vũ trụ?

- Bản chất của hằng số vũ trụ học Λ?

Năm 1981, A H Guth đưa ra lý thuyết lạm phát Theo lý thuyết lạm phát thì vũ trụ từ rất sớm (tuổi chưa hơn 10-35s) đã trải qua một thời kì nở khổng lồ cực nhanh (hàm mũ) với bán kính tăng khoảng 1043 lần trong thời gian khoảng

10-34s, vượt quá cả vũ trụ quan sát được ("lạm phát" vũ trụ) Điều này có nghĩa, ở đầu pha lạm phát, ở 10-35

s đầu tiên, vũ trụ vô cùng nhỏ, và tất cả các vùng của vũ trụ có thể dễ dàng trao đổi với nhau và điều phối tính chất của chúng để trở nên cực kì giống nhau (bán kính mặt cầu chân trời lúc này là 3.10-25cm, bằng kích thước vũ trụ) Ở cuối pha lạm phát, tại t = 10-32s, vũ trụ phồng lên 1050 lần để đạt đến kích thước 1026cm, lớn hơn kích thước của một siêu đám thiên hà Sau thời kỳ lạm phát, vũ trụ tiếp tục nở theo mô hình Big Bang đã nói Nhờ sự nở cực nhanh lúc đầu mà vũ trụ đã có tính trơn tru ngày nay Đó là vì mọi phần của vũ trụ đã có lúc nằm sát nhau và chúng đã đạt tới cùng một mật độ và nhiệt độ (Không có lạm phát thì các photon ở các phía quanh ta không thể có liên quan với nhau vì khoảng cách giữa chúng lớn hơn khoảng cách từ chúng đến ta mà bây giờ chúng mới vượt

qua) Sự nở cực nhanh lúc đầu cũng đã dẫn đến tính phẳng của vũ trụ vì sự nở như vậy sẽ đẩy phần lớn vũ trụ ra ngoài tầm mắt, phần nhỏ còn lại sẽ có dạng phẳng giống như ta đứng trên mặt đất thấy Trái Đất phẳng, giống như nhân loại trong một thời gian dài đã nghĩ mình sống trên một mặt đất phẳng vậy Cho tới khi triết gia, nhà vật lý người Hy Lạp, Ératosthène (276 – 194 Tr.CN) chứng tỏ rằng không phải thế Bằng cách nhân các chiều của vũ trụ với một thừa số lớn 1050

Hình 1.10 Hình ảnh các loại thiên hà

Các thiên hà được phân chia thành một số loại như sau dựa vào hình dáng quan sát được của chúng:

a).Thiên hà xoắn ốc (Spiral Galaxy):

Loại thiên hà này chiếm khoảng

60% trong tổng số các thiên hà đã quan

sát được, kí hiệu là S Thiên hà có hình

dạng dẹt như cái đĩa, có những cánh tay

xoắn ốc, chứa nhiều khí Cấu tạo của

loại thiên hà này là gồm một khối đặc

có mật độ lớn các sao ở giữa Phần này

có độ dày khá lớn, các sao chủ yếu là

các sao già Phần ngoài của trung tâm

này là phần đĩa gồm các cánh tay xòe

Hình 1.11 Thiên hà chong chóng ( Messier 101 hay NGC 5457)

ra, xung quanh chủ yếu là các sao trẻ mới hình thành và các đám khí, bụi

- Thiên hà xoắn ốc gãy

khúc (barred spiral galaxy - còn gọi

là thiên hà xoắn có thanh ngang): kí

hiệu SB, có một trục thẳng kéo dài

từ tâm ra trước khi xoắn ốc theo 3

sạng SBa, SBb, SBc tuỳ theo độ mở

rộng của nhánh và kích thước nhỏ

dần của bầu Hình 1.12 Thiên hà xoắn ốc có thành UGC

12158

b) Thiên hà elip (elliptical galaxy)

Loại thiên hà này chiếm khoảng 15% trong số các thiên hà đã quan sát được, kí hiệu là E Đây là loại thiên hà sáng nhất trong vũ trụ Chúng gồm chủ yếu

là các sao già nên có màu hơi đỏ, chứa rất ít khí và gần như không có bụi Thiên

hà Tiên nữ - Andromeda - M31, thiên hà sáng nhất bầu trời của chúng ta cũng là một thiên hà Elip

Hình 1.13 Thiên hà Andromède

c) Thiên hà thấu kính (lenticular galaxy)

Loại thiên hà này chiếm

khoảng 20% trong số các thiên hà đã

quan sát được, kí hiệu SO Đây là loại

thiên hà trung gian giữa thiên hà elip

và thiên hà xoắn ốc Chúng gồm nhiều

sao già Loại thiên hà này có bầu trung

tâm, đĩa gồm các sao phía ngoài,

quầng nhưng không có các tay xoắn

và không có khí giữa các sao

Hình 1.14 Thiên hà thấu kính SO - NGC

3115

Ngoài ra còn có các thiên hà như: Thiên hà không định hình (irregular galaxy); Thiên hà lùn (kí hiệu d), đặc điểm của loại thiên hà này là kích thước rất nhỏ và mật độ cũng tương đối nhỏ so với các thiên hà khác, về hình dáng, chúng cũng có hình elip, cầu, không định hình

1.2 Các sao

Sao (star) - hay còn gọi là hằng tinh - là tất cả các thiên thể có khả năng tự phát ra ánh sáng của mình Tất cả chúng đều là những khối cầu khí khổng lồ có khối lượng lớn hơn Trái Đất từ hàng chục đến hàng trăm ngàn lần hay thậm chí là lớn hơn nhiều nữa và chỉ có nhờ một khối lượng lớn như thế mới giúp chúng tự tạo ra ánh sáng của bản thân mình

Một thiên thể để có thể tự phát ra ánh sáng của mình cần có khối lượng tối thiểu là lớn gấp 80 lần khối lượng của Mộc tinh (Jupiter), tức là khoảng 8% khối lượng của Mặt Trời, các sao có khối lượng nhỏ hơn giới hạn này một chút được xem là giai đoạn trung gian giữa sao và hành tinh, chúng là các sao lùn nâu hoặc lùn đen

1.2.1 Cấu tạo chung của một ngôi sao

Các ngôi sao thường có thành phần trung bình là 70% hydro, 28% heli, 1.5% cacbon, nitơ, oxi và khoảng 0.5% sắt và các kim loại

Nhiệt độ bề mặt của 1 ngôi sao thường trong khoảng 3000K đến 50000K còn nhiệt độ ở tâm là khoảng vài triệu cho đến vài chục triệu K Thậm chí có thể lên tới 100 triệu K đối với các sao khổng lồ đỏ và vài tỉ K với các sao siêu khổng

Nhiệt độ và áp suất

tăng dần khi đi sâu

vào tâm ngôi sao

Nhiệt độ, ánh sáng,

năng lượng bức xạ

ra ngoài

Nơi xảy ra phản ứng nhiệt hạch

lồ đỏ Một sao bắt đầu từ một đám mây co sụp lại của các vật chất với thành phần

cơ bản là hydro, cùng với heli và một ít các nguyên tố nặng hơn Một khi nhân của sao đủ đặc, một số hạt nhân hydro ngay lập tức biến đổi thành heli thông qua quá trình tổng hợp hạt nhân Phần còn lại của lớp bên trong ngôi sao mang năng lượng

từ lõi ra ngoài thông qua quá trình kết hợp giữa bức xạ và đối lưu Áp suất bên trong ngôi sao ngăn không cho ngôi sao tiếp tục bị co lại dưới ảnh hưởng của chính lực hấp dẫn của nó

Phần bên trong của một ngôi sao ổn định tuân theo trạng thái cân bằng thuỷ tĩnh: các lực tác động vào một thể tích nhỏ bất kì được cân bằng chính xác với nhau Những lực cân bằng bao gồm lực hấp dẫn hướng vào trong và lực hướng ra ngoài là gradient áp suất bên trong ngôi sao Gradient áp suất được thiết lập nên bởi gradient nhiệt độ của plasma; phần bên ngoài của sao thì lạnh hơn phần bên trong lõi Nhiệt độ tại lõi của một sao ở dải chính hoặc sao khổng lồ là ít nhất vào khoảng vài chục triệu K Hệ quả là nhiệt độ và áp suất tại lõi đốt cháy hydro của sao ở dải chính là đủ cho phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra và đủ để tạo ra năng lượng chống lại sự suy sụp của ngôi sao

Khi hạt nhân nguyên tử được tổng hợp tại lõi, chúng phát ra năng lượng dưới dạng các tia gamma Những photon này tương tác với plasma xung quanh, làm tăng thêm nhiệt năng tại lõi Các ngôi sao ở dải chính biến đổi hydro thành heli qua phản ứng tổng hợp, tạo ra tỉ lệ tăng ổn định, chậm chạp của heli tại lõi Thậm chí cho đến khi nguyên tố heli chiếm đa số và sự sinh năng lượng bị ngừng hẳn tại lõi Đối với các ngôi sao nặng hơn 0,4 lần khối lượng Mặt Trời, sự tổng hợp diễn ra chậm dần

Ngoài cân bằng thủy tĩnh, phần bên trong của một ngôi sao ổn định cũng duy trì sự cân bằng năng lượng về nhiệt lượng Có một gradient nhiệt độ xuyên

tâm trên toàn bộ phần bên trong sao tạo ra một thông lượng năng lượng theo đó hướng ra bên ngoài

Để xác định một ngôi sao, người ta xét đến nhiều yếu tố như khoảng cách,

độ trưng (công suất phát xạ), nhiệt độ bề mặt, vị trí trên thiên cầu (thiên cầu là một mặt cầu có bán kính không xác định trên đó là nền trời sao mà tâm của nó là Trái Đất), độ sáng, quang phổ

1.2.2 Một số vấn đề xung quanh một ngôi sao

1.2.2.1 Quá trình tiến hóa của các ngôi sao

Vòng đời của một ngôi sao chỉ phụ thuộc vào khối lượng của nó Mà khối lượng thì chỉ có được sau khi ngôi sao đã hình thành Do đó về cơ bản, các ngôi sao có quá trình hình thành khá giống nhau dù có những sao có hành tinh, có sao không, có sao lại có các bạn đồng hành tạo thành sao kép, sao chùm trong khi có những sao chỉ đứng cô độc như Mặt Trời của chúng ta Chỉ sau khi giai đoạn hình thành hoàn tất, các ngôi sao mới thể hiện các tính chất đặc trưng của mình, tương ứng với từng loại sao có khối lượng và thành phần quang phổ khác nhau trên

Hình 1.15 Biểu đồ Hertzsprung – Russell sau đây:

Hình 1.16 Quá trình hình thành một ngôi sao có khối lượng nhỏ (Greene, 2001)

Chú thích: Dark cloud: đám mây tối, đám mây phân tử Dense core: lõi đặc

Gravitational collapse: Co rút trọng trường Protostar: tiền sao Bipolar outflow: hai luồng khí vuông góc Envelope: Vỏ bọc Disk hay Protoplanetary disk: đĩa tiền hành tinh T-Taur Central star: Ngôi sao trung tâm Planetary system: Hệ hành tinh

*Dưới đây là vài nét về các giai đoạn chính của vòng đời một ngôi sao:

1 Sao hình thành từ các đám mây khí, bụi (tinh vân - nebula hay tinh vân hành tinh - planetary nebula) Dưới tác dụng của hấp dẫn, chúng co dần lại vào một tâm chung Các phân tử khí tăng dần vận tốc, cọ xát làm khối khí nóng lên (tiền sao - protostar) Thời kì này kéo dài từ vài trăm ngàn đến 50 triệu năm

2 Khi nhiệt độ ở tâm khối khí đủ lớn và lực nén vào tâm tạo ra áp suất đủ lớn (hàng chục triệu độ và atm), các hạt nhân hidro kết hợp với nhau tạo ra hạt

nhân của các hydro nặng (deutri và triti), các phản ứng giữa các hạt nhân hiđro nặng này tiếp tục xảy ra tạo ra hạt nhân Heli (phản ứng nhiệt hạch) Phản ứng này giải phóng năng lượng dưới dạng các tia gamma làm cho khối khí phát sáng Áp suất do năng lượng giải phóng ra cân bằng với lực hấp dẫn làm ngừng quá trình tự

co lại của khối khí Cuộc đời của một ngôi sao bắt đầu

3 Tùy theo khối lượng sao, các sao càng nặng càng cần nhiều năng lượng

để chống lại hấp dẫn nên các phản ứng hạt nhân diễn ra mạnh mẽ hơn và kết quả

là nhiên liệu nhanh bị đốt cháy hết Do đó tuổi thọ của sao càng nặng thì càng ngắn ngủi Các sao như Mặt Trời có tuổi thọ khoảng 10 tỉ năm Các sao siêu khổng lồ chỉ thọ vài triệu năm, các sao khổng lồ 10-15 triệu năm còn các sao lùn

đỏ là 20 triệu năm

4 Sau khi hết nhiên liệu Ngôi sao không thể tiếp tục chống lại hấp dẫn bản thân Phần trong co lại về phía lõi còn vỏ ngoài phồng to và phát ra ánh sáng đỏ Ngôi sao trở thành sao khổng lồ đỏ trong khoảng 100 triệu năm (với sao cỡ Mặt Trời) hoặc sao siêu khổng lồ đỏ trong vài triệu năm Lõi trong co lại và tiếp tục nóng lên Đây là lúc phản ứng xảy ra kết hợp hạt nhân Heli thành hạt nhân Cacbon Khi áp suất giải phóng ra cân bằng với hấp dẫn, lõi ngôi sao ngừng co lại

5 Đối với các sao nhỏ cỡ Mặt Trời, sau quá trình trên, lõi sao có thể thành sao lùn trắng còn lớp ngoài phóng ra tạo thành tinh vân hành tinh (planetary Nebula) Với các sao có khối lượng lớn, nhiệt độ ở lõi sẽ tăng đủ lớn để xảy ra các quá trình tổng hợp hạt nhân tạo ra các nguyên tố nặng như C, O, Mg, Al, P, S, ,

Fe Ngôi sao có lõi sắt trong cùng và các nguyên tố nhẹ dần ra phía ngoài

6 Giai đoạn kết thúc: khi nhiên liệu hoàn toàn cạn kiệt, ngôi sao bước vào thời kì suy sập do hấp dẫn Có 3 trường hợp:

- Các sao có khối lượng < 1,4 lần khối lượng Mặt Trời co lại thành sao lùn trắng và cuối cùng là một sao lùn đen mất hút trong vũ trụ

- Các sao khối lượng 1,4 – 4 lần khối lượng Mặt Trời co lại mạnh hơn, vượt qua kích thước sao lùn trắng xuống mức đường kính 20km gây ra một vụ nổ sao siêu mới (supernova) Cuối cùng, khi lực đẩy tĩnh điện giữa các neutron và proton chống lại được lực hấp dẫn, sao ngừng co và trở thành sao neutron

- Các sao có khối lượng lớn hơn Mặt Trời 4-5 lần co lại hết sức mạnh

mẽ, cũng tạo ra một vụ nổ sao siêu mới Tuy nhiên do khối lượng lớn, hấp dẫn lớn đến mức làm triệt tiêu lực đẩy giữa các neutron, tạo thành lỗ đen

Hình 1.17 Biểu đồ thể hiện quá trình tiến hóa của sao

Chú thích: Stellar nebulae: Đám tinh vân; giant: kềnh; red giant :kềnh đỏ; White

dwarf:sao chắt trắng,sao lùn trắng; Average star: sao trung bình; Planetary nebular:Tinh vân sau vụ nổ(Tinh vân hành tinh); Massive star:Sao lớn

Bây giờ chúng ta hãy thử xét đến trường hợp của Mặt Trời của chúng ta Mặt Trời đã ra đời cách đây chừng 5,1 tỉ năm Người đầu tiên đưa ra giả thuyết về

sự ra đời của hệ Mặt Trời và được công nhận cho đến ngày nay là Laplace Ông đã cho rằng hệ Mặt Trời ra đời từ một đám khí bụi khổng lồ mà ngày nay chúng ta gọi là tinh vân Khối khí bụi từ từ quay quanh trục và ở trung tâm khối là một nhân

cô đặc Thể tích khối khí bụi nhỏ dần, co lại do lực hấp dẫn làm nó quay nhanh hơn Đến một tốc độ quay nhất định, lực li tâm của vành vật chất ở xích đạo lớn hơn lực hấp dẫn, vành này tách khỏi trung tâm và tiếp tục quay như trước Khối trung tâm tiếp tục quay nhanh hơn dẫn đến việc tách ra của vành vật chất thứ 2, thứ 3, , vv Do sự phân bố vật chất trong các vành không đều nên vật chất trong vành dần tích tụ thành phôi thai của hành tinh Mỗi phôi thai đó lại quay nhanh dần làm tách ra các vành vật chất tạo thành vệ tinh Phần khối khí còn lại ở trung tâm tạo thành Mặt Trời Hầu hết các sao trong vũ trụ đều có sự hình thành như Mặt Trời của chúng ta, tuy nhiên khối lượng và thành phần của từng khối khí bụi

sẽ làm cho chúng có thể là các sao siêu khổng lồ cho đến những sao lùn đen nhỏ

bé, các sao đơn độc và các sao có bạn đồng hành, các ngôi sao có cũng như không

có hành tinh quay quanh

Vậy các đám bụi đó từ đâu mà có? Chúng có mặt khắp nơi trong thiên hà

và trong cả các khoảng không vô tận giữa các thiên hà Ở các thiên hà như thiên hà của chúng ta, tập trung một lượng khá lớn khí và bụi tại vùng phụ cận với mặt phẳng đĩa của thiên hà Mật độ của các đám khí và bụi này nói chung là rất nhỏ, chúng không ngừng chuyển động hỗn độn trong vùng mặt phẳng đĩa này Khi một khối lượng khí nhất định "vô tình" đến gần nhau và hấp dẫn lẫn nhau, chúng co lại

để đạt đến một mật độ lớn hơn rất nhiều, sự cọ xát giữa chúng bắt đầu sinh ra nhiệt

và khi đó chúng bắt đầu được gọi là các tinh vân (nebula)

1.2.2.2 Tuổi của các ngôi sao

Các ngôi sao ở dải chính có ánh sáng màu xanh lam có năng lượng phát

ra rất lớn khiến cho các phản ứng hạt nhân xảy ra bên trong chúng xảy ra rất mạnh

mẽ làm cho nhiên liệu của chúng nhanh cạn kiệt và chúng chết đi Vì vậy những ngôi sao này phải có tuổi thọ ngắn Cho nên chúng phải được tạo thành khá gần đây, một số trong chúng được tạo thành chỉ khoảng 106

năm về trước Nếu chúng

ta nhìn lên bầu trời thấy các ngôi sao sáng, có màu xanh lam, thì chúng ta đang nhìn vào những nơi mà hiện nay các ngôi sao đang hình thành

Một ví dụ điển hình là Tinh vân

Lạp Hộ, trong tinh vân đó có chứa vài

ngàn ngôi sao rất nóng, rất xanh lam,

khoảng 106 năm tuổi Và chính chuyển

động của khí cho chúng ta biết rằng nó bị

đun nóng bởi một ngôi sao khác chỉ mới

trong vòng 2.104 năm qua cho nên có thể

nói rằng ngôi sao trẻ nhất bên trong tinh

vân chỉ có 2.104 năm tuổi Hình 1.18 Tinh vân Lạp Hộ

Đám sao là tập hợp của hàng trăm, hàng ngàn ngôi sao, liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn của chúng Tất cả các ngôi sao của cùng một đám hình thành vào cùng một thời điểm Như vậy, các đám sao và các ngôi sao có màu rất xanh lam (xanh lá) phải có tuổi ít hơn 107 năm, còn các Ngôi sao nóng trung bình thì hơi già hơn (VD: đám Pleiades khoảng 108

già hơn 1010 năm, các sao hình cầu là các sao già nhất có tuổi vào khoảng 1,3.1010năm, chúng được gọi là hình cầu vì trông chúng có dạng tròn và tuổi của chúng được xác định bởi vệ tinh nhân tạo của Trái Đất (HIPPARCOS) rất chính xác

CHƯƠNG II: VẬT CHẤT TỐI, NĂNG LƯỢNG TỐI

[1], [4], [7], [8], [16], [17], [6]

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

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 không 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 không 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 luôn 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 công 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 không 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

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 ngôi 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 trò 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 không - thời gian lạm phát hoàn toàn, như thế thì hẳn đã không 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 hôm 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 mô 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

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 Mô 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

không 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 Schrödinger – 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

không tin vào những kì dị và xác xuất của nó, ông từng nói "Chúa không chơi trò 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 mô hình chuẩn của vũ trụ giãn nở lạm phát đòi 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, 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 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 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 sai lầm lớn nhất của đời ông và ông đã loại bỏ hằng số vũ trụ ra khỏi các phương trình của 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, năng lượng tối

Theo các tính toán 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% còn lại là của vật chất thông thường mà chúng ta biết

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 không 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 không

phát ra bước sóng điện từ, không được tạo thành từ các hạt baryon gọi là vật chất

tối Nếu không có giả thuyết về vật chất tối thì không giải thích được tại sao vũ trụ

lại quá phẳng và có quá 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 mô hình chuẩn Vũ trụ học nhờ vào các quan sát về tính dị hướng của bức xạ phông 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

chất không 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 không 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 môi 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 toán 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 (ngôi sao chết siêu đặc, quay nhanh và giải phóng nhiều năng lượng vào không gian xung quanh) Chúng ta không 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 ông nhấn mạnh rằng nhiều chuyên 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 không phải là nguồn cung cấp positron duy nhất Ông khẳng định: “Khi đó chúng tôi có thể khẳng định chúng tôi đã tìm ra vật chất tối”

2.2.1 Đặc điểm, cấu tạo của vật chất tối

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 không phát ra ánh sáng Bằng

chứng hiện nay ủng hộ các mô 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 vô hình này là lõi của những ngôi 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 vô tận Muốn thoát 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]

Ngoài 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, không 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”

Không mang điện, không màu, tương tác yếu Vì vậy vật chất tối không có trọng lực, không 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 thông thường cho nên chúng có thể xuyên qua mọi không gian, vật chất khác như thể xuyên qua một không gian trong suốt

Phần lớn vật chất tối không 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 trò quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiến hóa thiên hà, và có ảnh hưởng đến tính không 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 không 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

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

2.3 Một số nhận xét

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 choán 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 Ở thang vi mô, không gian được coi là trống rỗng hay chân không hoàn hảo, không hoàn toàn trống rỗng

mà được choán đầy bởi một trường gọi là Higgs Chính trường này đã đưa cho các quark và lepton khối lượng của chúng 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 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.[6]

Đến đây chúng ta nhớ lại rằng Einstein đã từng đưa ra một mô hình vũ trụ học tĩnh với một hằng số vũ trụ học Chúng ta đang thử xem liệu rằng hằng số vũ trụ học đóng vai trò gì về lực đẩy bí mật của năng lượng tối gia tốc sự giãn nở của

vũ trụ hay không Các phép đo về cường độ và sự thăng giáng của phông bức xạ nền cùng với các phép đo khác về sự phân bố các đám thiên hà, siêu sao mới đã

cho thấy rằng, năng lượng tối có mối liên hệ nhất định với hằng số vũ trụ học Chẳng hạn, có những siêu sao mới ở rất xa, chúng có thể phát ra cùng một lượng năng lượng tại các cực đại sáng Nếu đo được độ sáng của những sao siêu mới này chúng ta có thể biết được khoảng cách tới chúng Từ khoảng cách và tốc độ của các sao siêu mới này chúng ta sẽ biết được vũ trụ đang giãn nở theo thời gian như thế nào và tốc độ giãn nở này có tương thích với lực đẩy gây ra bởi năng lượng tối không Sự thay đổi tốc độ giãn nở được xác định bằng việc so sánh sự dịch về đỏ của những thiên hà ở xa với độ sáng biểu kiến của những sao siêu mới tìm thấy trong những thiên hà đó Rồi bằng việc đo tốc độ và tương tác giữa các đám thiên

hà trong vũ trụ cho phép chúng ta xác định được tổng khối lượng của chúng Các phép đo cho thấy, khối lượng tổng cộng lớn hơn rất nhiều khối lượng nhìn thấy do các sao và các khí nóng phát ra tia X trong các đám thiên hà Việc xem độ nhiều của các đám thiên hà như một hệ thức của thời gian cho phép chúng ta hiểu thêm

về lượng năng lượng tối có trong vũ trụ Vì chân không chứa rất nhiều năng lượng tối, các tính toán lý thuyết ước lượng một lượng lớn hơn 10120 lần mức độ quan sát

Bằng chứng thu được từ việc xác định khối lượng các đám và siêu đám thiên hà chỉ ra rằng, mật độ khối lượng tương đối thấp Các bằng chứng về sự tăng tốc cũng gợi ý tồn tại một lượng lớn năng lượng tối Hiểu biết về năng lượng tối sẽ cung cấp những bằng chứng cần thiết trong việc tìm kiếm sự thống nhất các lực và hạt trong vũ trụ Và điều này có thể được giải quyết bằng kính viễn vọng chứ không phải là các máy gia tốc Năng lượng tối đã và đang là một trong những hướng nghiên cứu được nhiều nhà khoa học quan tâm

Năng lượng tối vẫn là một bí mật lớn Hiện tại, rất khó để chúng ta biết trước được vũ trụ sẽ như thế nào trong một tương lai xa: giãn nở mãi mãi hay co lại? Số phận tương lai của vũ trụ phụ thuộc vào mật độ vật chất mà nó có ở hiện

tại Nếu mật độ của nó lớn hơn mật độ tới hạn, vũ trụ sẽ là đóng Ngược lại, nếu mật độ của vũ trụ nhỏ hơn mật độ tới hạn, vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi theo thời gian, và sẽ là một vũ trụ mở Tương lai của vũ trụ phụ thuộc vào mật độ vật chất

và năng lượng trong vũ trụ, nó sẽ tiếp tục nở ra mãi mãi hoặc nở ra chậm dần do lực hấp dẫn rồi sụp đổ Các bằng chứng quan sát hiện nay cho thấy mật độ vật chất trong vũ trụ không đủ lớn để giảm sự giãn nở, mà thậm chí sự giãn nở này sẽ tăng tốc mãi mãi

Còn vật chất tối đã đóng góp vào việc kiềm chế sự nở ra của vũ trụ, tránh cho vũ trụ có một cấu trúc không - thời gian lạm phát hoàn toàn Vật chất tối cũng

có vai trò quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiến hóa thiên hà và có ảnh hưởng đến tính không đẳng hướng của bức xạ phông vi sóng vũ trụ