BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ 2 VẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
*****

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
VẬT LÝ 2
ĐỀ TÀI 28: VẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI
GVHD : Nguyễn Thị Thúy Hằng
LỚP: L10
NHĨM: 2

Thành phố Hồ Chí Minh, 25/03/2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
*****

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
VẬT LÝ 2
ĐỀ TÀI 28: VẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI
GVHD : Nguyễn Thị Thúy Hằng
LỚP: L10
NHĨM: 2

Thành phố Hồ Chí Minh, 25/03/2022

MỤC LỤC
DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA: .............................................................5

2


LỜI MỞ ĐẦU..............................................................................................................6
NỘI DUNG BÁO CÁO................................................................................................7
Chương 1: PHẦN MỞ ĐẦU.....................................................................................7
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT...............................................................................8
2.1 Lịch sử nghiên cứu/quan niệm vũ trụ của các nhà khoa học từ trước đến
nay? .................................................................................................................... 8
2.1.1 Quan niệm............................................................................................8
2.1.2 Khái quát lịch sử nghiên cứu vũ trụ theo thuyết Vụ Nổ Lớn................8
2.2 Vật chất tối (Dark Matter) là gì?...................................................................9
2.3 Năng lượng tối (Dark Energy) là gì?...........................................................12
2.4 Sự khác nhau giữa Vật chất tối và Năng lượng tối......................................14
2.5 Những bằng chứng cho thấy sự tồn tại của Vật chất tối và Năng lượng tối.15
Chương 3: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA CÁC NHÀ KHOA HỌC...............17
3.1 Một vài phương pháp/quá trình nghiên cứu về Vật chất tối.........................17
3.2 Một vài phương pháp/quá trình nghiên cứu về Năng lượng tối..................22
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO:.................................................................25

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Bức xạ nền vi sóng của vũ trụ...................................................................10
Hình 2.2 Ảnh minh họa Vật chất tối........................................................................11

3


Hình 2.3 Vật chất tối ở trung tâm thiên hà...............................................................11
Hình 2.4 Ảnh minh họa...........................................................................................13
Hình 2.5 Ảnh minh họa...........................................................................................14

Hình 2.6 Fritz Zwicky (1898-1974).........................................................................15
Hình 3.1 Vật chất tối được phân bố trong vũ trụ theo mơ hình giống như mạng lưới
(NASA/JPL-Caltech)...............................................................................................17
Hình 3.2 Neutrino không mang điện và khối lượng gần như bằng 0.......................19
Hình 3.3 Bầu trời vi sóng do phi thuyền Planck cung cấp.......................................20
Hình 3.4 Kính viễn vọng James Webb.....................................................................21
Hình 3.5 Ảnh minh họa...........................................................................................21
Hình 3.6 Ảnh minh họa Năng lượng tối...................................................................22
Hình 3.7 Ảnh mơ phỏng..........................................................................................23
Hình 3.8 Bản đồ Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số của Sloan .....................................24
Hình 3.9 Thiết kế tổng thể của LSST khi được hoàn thành (thiết kế bởi Michael
Mullen / công ty LSST)...........................................................................................24

LỜI MỞ ĐẦU
Mỗi lần ngước lên bầu trời đêm rộng lớn, người ta luôn tự hỏi vũ trụ ngồi kia cịn
có bao nhiêu điều bí ẩn mà con người chưa từng biết tới. Bạn có bao giờ tị mị về bên
ngồi vũ trụ rộng lớn kia là gì hay khơng? Thực tế cho tới nay những gì chúng ta biết

4


về vũ trụ vẫn cịn q ít. Những thiên hà lạ lùng, những hành tinh với các đặc điểm
chưa từng biết tới, những vệ tinh bí ẩn và những hiện tượng độc đáo... chỉ là một vài
trong vô vàn những điều kỳ lạ của vũ trụ khiến các nhà khoa học đau đầu lý giải.
Vật chất và năng lượng là một trong những chủ đề rất được các nhà khoa học quan
tâm, chúng là những thuật ngữ có mối quan hệ mật thiết với nhau, giữ một vị trí rất
quan trọng trong các lĩnh vực Vật lý, Thuyết tương đối, Thiên văn học, Vũ trụ học, Vật
lý thiên văn và Tiến hóa sao. Hiện nay, Vật chất tối (Dark Matter) và Năng lượng tối
(Dark Energy) là hai thứ vẫn còn đang là ẩn số đối với các nhà khoa học đồng thời
chiếm tới hơn một nửa vũ trụ.

Ở bài báo cáo này, chúng ta chỉ tập trung tìm hiểu và nghiên cứu về Vật chất tối
(Dark Matter) và Năng lượng tối (Dark Energy).

Chương 1: PHẦN MỞ ĐẦU
- Vật lí – một từ được bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp mang nghĩa là “kiến thức tự nhiên”
mơ tả và giải thích bản chất của các hiện tượng xảy ra trong tự nhiên với một số ít các

5


định luật cơ bản nhất. Chẳng hạn như: “tại sao bầu trời lại có màu xanh?”; “vì sao
cầu vồng lại có sắc màu?”;.. Từ xa xưa, con người đã khơng ngừng tò mò với mong
muốn trả lời được những câu hỏi tưởng chừng như là điều hiển nhiên nhưng lại không
hề đơn giản. Một vài thuyết đã được đưa ra, nhưng đa phần đều khơng chính xác.
Những thuyết này mang đậm nét triết lý và chưa từng qua các bước kiểm chứng như
các thuyết hiện đại. Một số ít được cơng nhận, số cịn lại đã lỗi thời, ví dụ như nhà tư
tưởng người Hy Lạp, Archimedes, đưa ra nhiều miêu tả định lượng chính xác về cơ
học và thủy tĩnh học. Qua nhiều thập kỉ, cùng với đó là sự tìm tịi khám phá khơng
ngừng nghỉ của các nhà khoa học thì một trong những mảng nghiên cứu đang được
quan tâm nhất hiện nay chính là Vũ trụ học Vật lí (Cosmology) đây là ngành khoa học
nghiên cứu tổng thể về vũ trụ, bao gồm các nghiên cứu về sự hình thành, tiến hóa và
tương lai của vũ trụ.
- Theo kết quả nghiên cứu của nhà khoa học người Mỹ gốc Canada James Peebles
được trao giải Nobel Vật Lí năm 2019 cho "các khám phá lý thuyết về Vũ trụ học vật
lí" đã được Viện hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển (RSAS) đánh giá rằng
“Những khám phá của họ đã thay đổi mãi mãi nhận thức của chúng ta về thế giới”.
Theo James Peebles, chúng ta chỉ mới biết được 5% của vũ trụ với các vật chất tạo nên
các hình tinh, ngơi sao, cây cối và con người. Phần còn lại là Vật chất tối chiếm 20%
và Năng lượng tối chiếm 75%. Đây là một bí ẩn và là một thách thức đối với vật lý
hiện đại. [1]

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
6


2.1 Lịch sử nghiên cứu/quan niệm vũ trụ của các nhà khoa học từ trước đến nay?
2.1.1 Quan niệm:
Trong quan niệm về vũ trụ, có ít nhất là bốn quan điểm khác nhau trong ngành Vũ
trụ học (Cosmology). Thuyết thứ nhất cho rằng, vũ trụ này có một khởi điểm, bắt đầu
bằng một Vụ Nổ Lớn (Big Bang) từ một hạt nhân ngun thủy. Tuy nhiên, sự phát nổ
đó khơng có tính cách vơ hạn. Nói cách khác, theo thuyết thứ nhất, vũ trụ này có cùng
tận. Sự tận cùng được diễn tả như là “The Big Crunch” (Vụ Co Lớn). Thuyết thứ hai
thì cho rằng, vũ trụ này có một khởi điểm đó là Vũ Nổ Lớn nhưng với sự phát triển vơ
hạn định. Thuyết thứ ba thì cho rằng, vũ trụ này khơng phải chỉ có một khởi điểm mà
có nhiều khởi điểm và cùng tận tiếp nối nhau. Thuyết thứ tư thì cho rằng, vũ trụ này ở
trong trạng thái bền vững, chẳng có bùng nổ cũng chẳng có cùng tận. Ngày nay, chủ
trương thứ tư coi như đã bị bác bỏ, vì nó trái ngược với những quan sát của Vật lý học
thiên văn (Astrophysics) và Vũ trụ học (Cosmology). Còn ba thuyết trước, tuy với
những dạng thức khác biệt, nhưng đều chấp nhận rằng vũ trụ này có một khởi điểm.
2.1.2 Khái quát lịch sử nghiên cứu vũ trụ theo thuyết Vụ Nổ Lớn:
- Vũ trụ rất sơ khai: từ thời kỳ Planck đến thời kỳ phình to vũ trụ, tương ứng với
những pico giây đầu tiên của thời gian vũ trụ; thời kỳ này được nghiên cứu bởi nhiều
lý thuyết vật lý, nhưng các lý thuyết này chưa có được các thí nghiệm của vật lý hạt
kiểm chứng. [4]
- Vũ trụ sơ khai: từ Kỷ nguyên quark đến hết Kỷ nguyên photon, khoảng 377.000 năm
đầu của thời gian vũ trụ, khi các lực cơ bản và hạt cơ bản bắt đầu xuất hiện, nhưng vũ
trụ vẫn còn đang ở trạng thái plasma. [4]
- Thời kỳ tối và xuất hiện các cấu trúc cô đặc lớn trong vũ trụ: từ 377.000 năm đến
khoảng 150 triệu năm của thời gian vũ trụ, ở cuối giai đoạn này, vũ trụ đã bắt đầu
trong suốt nhưng chưa có cấu trúc vật chất cô đặc lớn nào xuất hiện. Các cấu trúc vật

chất cô đặc lớn bao gồm sự tiến hóa của sao, sự hình thành và tiến hóa của thiên hà sự
hình thành các quần tụ thiên hà và siêu đám thiên hà, từ khoảng 150 triệu năm của thời
gian vũ trụ đến hiện tại, và còn tiếp tục đến khoảng 100 tỷ năm trong thời gian vũ trụ;
Ngân Hà, thiên hà chứa lồi người, bắt đầu hình thành vào khoảng 5 tỷ năm trong thời
gian vũ trụ. [4]
- Vũ trụ hiện nay: từ 1 tỷ năm đến 12.8 tỷ năm, vũ trụ giống như nó bây giờ. Nó sẽ tiếp
tục nhìn giống như thế này trong vài tỷ năm tới. Hệ Mặt Trời hình thành khoảng 4,6 tỷ
năm trước, và sự sống xuất hiện trên Trái Đất khoảng 3,5 tỷ năm trước. [4]

7


- Tương lai xa: khi các vì sao ngừng hình thành, có nhiều giả thuyết về số phận sau
cùng của vũ trụ. [4]
2.2 Vật chất tối (Dark Matter) là gì?
- Vũ trụ của chúng ta được tạo thành từ vật chất và năng lượng. Tuy nhiên, vũ trụ của
chúng ta khơng hồn tồn tạo thành từ vật chất thơng thường bởi nó chỉ chiếm khoảng
5% của vũ trụ. Trong khoảng 95% cịn lại thì Vật chất tối chiếm khoảng 20%. Vậy Vật
chất tối là gì?
- Vật chất tối này khơng thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng nó là thứ mang lại
động lực cho toàn vũ trụ. Các thiên hà trong vũ trụ đang quay với tốc độ lớn đến nỗi
lực
hấp dẫn tạo ra bởi vật chất nhìn thấy trong thiên hà không thể giữ chúng lại với nhau,
lẽ
ra chúng phải tách ra nhau từ lâu. Vậy nên các nhà khoa học nghĩ rằng Vật chất tối
chính
là thứ đang làm cho các thiên hà này tăng thêm khối lượng, tạo ra lực hấp dẫn bổ sung.
- Vật chất tối không phát ra đủ bức xạ để có thể nhìn thấy, nhưng nó đang được phân
tích bằng các cơng cụ và phân tích thống kê để xem nó hoạt động như thế nào. Không
giống như vật chất thông thường, Vật chất tối rất lạnh và đen đến nỗi nó khơng phát ra

bất cứ thứ gì, khơng tương tác với lực điện từ. Điều này có nghĩa là nó khơng hấp thụ,
phản xạ hoặc phát ra bức xạ điện từ, khiến nó cực kỳ khó phát hiện.
- Bởi vì khơng thể phân tích được và khơng biết Vật chất tối được tạo nên từ gì, nên đã
có nhiều giả thuyết cho sự tạo thành của nó. Theo đó, nó có thể được tạo từ các hạt
Neutrino, các hạt WIMPS, hạt Neutralinos, các đám mây khơng khí phát sáng, hoặc
thậm chí là các ngôi sao lùn.
- Một nghiên cứu được công bố vào tháng 12 năm 2021 trên Tạp chí Vật lý Thiên văn
lập luận rằng Vật chất tối có thể tập trung trong các lỗ đen , cánh cổng mạnh mẽ dẫn
đến hư vô do lực hấp dẫn cực lớn của chúng nuốt chửng mọi thứ xung quanh
chúng. Như vậy, Vật chất tối sẽ được tạo ra trong Vụ Nổ Lớn cùng với tất cả các yếu
tố cấu thành khác của vũ trụ như chúng ta thấy ngày nay.

8


- Nếu vật chất tối khơng thể được nhìn thấy, chạm vào hoặc phát hiện theo bất kỳ cách
nào, tại sao chúng ta lại muốn biết về vật chất tối? Về cơ bản, các nhà khoa học cố
gắng
tìm ra những lời giải thích về động lực học của vũ trụ. Chuyển động của các thiên thể,
quán tính, vụ nổ lớn ... mọi thứ đều có lời giải thích của nó nếu chúng ta giới thiệu sự
hiện diện của vật chất tối.
- Vật chất tối thực sự chỉ phục vụ cho việc hiểu biết vũ trụ một cách
gần

gũi

hơn.

Nó

là

một sự cân nhắc, một thực thể, cho phép ta hiểu rõ hơn về vấn đề
chúng

ta

biết

và

cũng

như tiết lộ những gì chúng ta chưa biết. Nghiên cứu các hạt có tương
tác

quá

yếu

cho

phép chúng ta khám phá ra các khía cạnh khác của vũ trụ. Dù Vật
chất

tối

là

gì,

rõ

ràng

là rất quan trọng vì hầu hết vũ trụ mà chúng ta biết đều tạo thành từ
nó.[5]

Hình 2.1: Bức xạ nền vi sóng của vũ trụ. [Nguồn Internet]

9
Ảnh minh
họa Vật
tối.hà.
[Nguồn
Internet]
HìnhHình
2.3: 2.2:
Vật chất
tối ở trung
tâmchất
thiên
[Nguồn
Internet]


2.3 Năng lượng tối (Dark Energy) là gì?
- Nhiều thế kỉ trước các nhà khoa học cho rằng vũ trụ của chúng ta là một vũ trụ tĩnh,
mọi thứ sinh ra đã như vậy và sẽ mãi như vậy, không lớn lên, khơng nhỏ lại và cũng
khơng mất đi, đó là một vũ trụ hoàn hảo thế nhưng suy nghĩ về vũ trụ hồn hảo ấy

nhanh chóng bị lung lay, cho thấy những sự bất hợp lí khi con người ta khám phá ra
khái niệm hố đen và lực hấp dẫn vơ hạn của nó, nếu vũ trụ khơng có sự giãn nở thì
chẳng mấy chốc các hố đen cực lớn sẽ sáp nhập với nhau kéo theo các ngôi sao và
thiên hà, một vũ trụ tĩnh sẽ chỉ còn lại một hố đen duy nhất. Nhiều lí thuyết khác nhau
được đưa ra giải thích cho vấn đề này, người ta cho rằng có một loại lực nào đó mạnh
hơn rất nhiều đang kiềm tỏa lực hấp dẫn để giữ cho vũ trụ tồn tại mãi mãi – đó là Năng
lượng tối
- Trong Vũ trụ học vật lí và thiên văn học, Năng lượng tối là một dạng năng lượng
chưa biết rõ chiếm phần lớn vũ trụ và có khuynh hướng tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ.
Năng lượng tối là thuyết được chấp nhận nhiều nhất kể từ những năm 1990, chỉ ra rằng
vũ trụ đang giãn nở với vận tốc tăng dần. [3]
- Về cơ bản “Năng lượng tối” là một thuật ngữ thiên văn chỉ một loại năng lượng trong
không gian chi phối sự vận hành của vũ trụ. Phần vũ trụ quan sát được (Observable
Universe) là một vùng hình cầu chưa tất cả các vật chất có thể quan sát được từ trái đất
hoặc các kính viễn vọng trong khơng gian và các tàu thăm dò được gửi đi bởi con
người ở thời điểm hiện tại, các nhà khoa học tính tốn được rằng vũ trụ quan sát được
chứa khoảng vài trăm tỉ thiên hà và có đường kính khoảng 93 tỉ năm ánh sáng. Tuy
nhiên những gì mà chúng ta biết về cấu trúc của vũ trụ chỉ bắt nguồn từ 5% của những
con số khổng lồ phía trên, khoảng 95% cịn lại bao gồm cỡ 75% Năng lượng tối và cỡ
20% Vật chất tối, đơn giản là không hiện hữu, là thứ chúng ta vẫn gọi là thành phần tối
cả vũ trụ.

10


- Sau này thuyết tương đối của Albert Einstein và những quan sát về sự dịch chuyển đỏ
của Hubble đã thực sự định hình lại vũ trụ. Theo Albert Einstein, Năng lượng tối chính
là một loại năng lượng của khơng gian trống, năng lượng này làm cho không gian nở
rộng nhưng bản chất của khơng gian lại khơng bị lỗng ra, sự nở ra của không gian tỉ
lệ thuận với lượng Năng lượng tối được tạo ra, kết quả là vũ trụ đang giãn nở với vận

tốc ngày càng nhanh thậm chí là vượt qua vận tốc ánh sáng, đây được gọi là “hằng số
vũ trụ”. Một giải thích khác về Năng lượng tối là dựa theo lí thuyết lượng tử. Theo đó
khơng gian chứa đầy các hạt ảo tạm thời, liện tục hình thành và sau đó biến mất.
- Cũng có lí thuyết cho rằng ngồi 4 loại lực cơ bản của vũ trụ mà con người đã biết
đến bao gồm lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu, trọng lực và lực điện từ thì vẫn cịn
tộn tại một loại “lực thứ 5” - đó là Năng lượng tối.
Hình 2.4: Ảnh minh họa. [Nguồn Internet]
- Loại lực thứ 5 này cực kì khó nhận biết và chỉ có thể quan sát được ở quy mơ tồn vũ
trụ, nó hoạt động chống lại lực hấp dẫn, làm cho các thiên hà ngày càng rời xa nhau
hơn, theo lí thuyết này thì vũ trụ sẽ khơng nở rộng mãi mãi mà đến một lúc nào đó nó
sẽ co lại và tiếp tục nở ra theo một chu kì. Thế nhưng đến nay con người vẫn chưa thể
tìm ra bằng chứng về việc vũ trụ đã trải qua chu kì này, hoặc có lẽ vũ trụ vẫn chưa tồn
tạo đủ lâu để kết thúc một nửa chu kì này

2.4 Sự khác nhau giữa

Vật

chất

tối và Năng lượng

tối

- Vũ Trụ của

chúng ta

bị chi phối bởi

các dạng

vật

chất,

năng
hình mà vẫn

lượng bí ẩn và vơ
chưa được hiểu hết một

cách đầy đủ.

11
Hình 2.5: Ảnh minh họa. [Nguồn Internet]


- Hầu hết vũ trụ của chúng ta bị che khuất trong tầm nhìn khả kiến, mặc dù chúng ta
khơng thể nhìn thấy hay chạm vào nó, tuy nhiên các nhà thiên văn học cho rằng phần
lớn Vũ trụ bao gồm Vật chất tối và Năng lượng tối. Nhưng thức bí ẩn và vơ hình bao
quanh chúng ta là gì? Và đâu là sự khác biệt giữa Vật chất tối và Năng lượng tối? Một
cách ngắn gọn thì Vật chất tối làm chậm quá trình giãn nở của Vũ trụ cịn Năng lượng
tối thì lại tăng tốc độ.
- Vật chất tối hoạt động giống như một lực hấp dẫn - một loại xi măng vũ trụ giữ vũ
trụ của chúng ta gần nhau. Điều này là do Vật chất tối tương tác với lực hấp dẫn, song
nó khơng phản xạ hay hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng. Trong khi đó, Năng lượng tối
như một lực đẩy - một dạng phản lực - thúc đẩy sự giãn nở nhanh của Vũ trụ.
- Năng lượng tối là một dạng năng lượng, khơng thể phát hiện được bởi các máy dị
thơng thường, trong khi Vật chất tối là một dạng vật chất, khơng phát ra, phản xạ hoặc

tán xạ sóng điện từ. [8]
2.5 Những bằng chứng cho thấy sự tồn tại của Vật chất tối và Năng lượng tối
- Những bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của Vật chất tối đã tồn tại hơn 8 thập kỷ trở
lại đây, từ những quan sát tiên phong ban đầu của Fritz Zwicky vào năm 1933, Ông sử
dụng định lý Virial, một phương trình liên hệ giữa động năng trung bình của một hệ với
tổng thế năng của nó, để suy ra khối lượng hấp dẫn của đám. Kết quả nghiên cứu cho
thấy sự tồn tại của một vật chất mà chúng ta chưa từng phát hiện Do đó, ơng đã đặt ra
thuật ngữ "Vật chất tối" cho vật chất bí ẩn này.[6]

12


Hình 2.6: Fritz Zwicky (1898-1974).
[Nguồn Internet]

- Trong suốt những năm 1970, những quan sát về các thiên hà bị chi phối bởi một vịng
xoắn lớn gồm các ngơi sao và khí đã cung cấp bằng chứng đầu tiên về sự mâu thuẫn
đáng kể với Lý thuyết Hấp dẫn (Theory of Gravity) của Einstein. Bằng cách quan sát
cẩn thận tốc độ quay của các đám mây khí trong các thiên hà này, các nhà thiên văn
học đã xác định được cường độ lực hút của các thiên hà ở các khoảng cách khác nhau
từ tâm của chúng. Họ đã sử dụng những kết quả này và lý thuyết tiêu chuẩn về lực hấp
dẫn, mô tả mối quan hệ giữa khối lượng mà một thiên hà có thể chứa và lực hấp dẫn
của nó mạnh như thế nào, để dự đốn xem khối lượng các thiên hà này phải chứa để
tạo ra lực hấp dẫn mà họ quan sát được. Bất ngờ là, họ phát hiện ra rằng khối lượng dự
đoán của mỗi thiên hà vượt quá đáng kể tổng khối lượng của tất cả các vật thể có thể
nhìn thấy trong thiên hà đó
- Các quan sát thiên văn khác đã xác nhận sự mâu thuẫn này. Các phép đo chuyển
động của các ngôi sao trong các loại thiên hà khác luôn cho thấy rằng các thiên hà
thuộc mọi loại đều chứa một lượng đáng kể khối lượng bí ẩn khơng nhìn thấy
được. Hơn nữa, những quan sát về các cụm thiên hà chỉ ra rằng các cụm thiên hà đang

di chuyển với một tốc độ nhanh đến mức chúng sẽ bay tách xa nhau ra trừ khi được
bao quanh bởi một đám mây vật chất vơ hình. lần đầu tiên diễn ra vào những năm
1930, chỉ bản than những quan sát này không đủ để thuyết phục cộng đồng vật lý thiên
văn rằng có một vấn đề đáng kể với lý thuyết chuẩn về chuyển động của thiên hà. Tuy

13


nhiên, vào cuối những năm 1970, bằng chứng tổng hợp về chuyển động bất thường
của các thiên hà và các cụm thiên hà chỉ ra cùng một thực tế đáng ngạc nhiên: nếu lý
thuyết tiêu chuẩn về lực hấp dẫn là đúng, các thiên hà và cụm thiên hà chứa rất nhiều
phần khối lượng bị thiếu từ những quan sát.” [7]

Chương 3: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA CÁC
NHÀ KHOA HỌC
3.1 Một vài phương pháp/quá trình nghiên cứu về Vật chất tối
- Vật chất tối dường như trải rộng khắp vũ trụ theo mơ hình giống như mạng lưới, với
các cụm thiên hà hình thành tại các nút nơi các sợi giao nhau. Bằng cách xác minh
rằng lực hấp dẫn hoạt động giống nhau cả bên trong và bên ngoài hệ mặt trời của
chúng ta, các nhà nghiên cứu cung cấp thêm bằng chứng về sự tồn tại của Vật chất tối
và Năng lượng tối.
- Các thí nghiệm tại Large Hadron Collider (LHC) có thể cung cấp
nhiều

manh

tiếp hơn về vật chất tối. Nhiều
hạt Vật chất tối sẽ đủ
tạo ra tại LHC. Nếu
tạo ra tại

chúng
thốt qua các
khơng bị phát hiện.
sẽ mang đi năng lượng và

mối

trực

giả thuyết cho rằng các
nhẹ

để
chúng

được
được

LHC,
sẽ

trốn

máy dò mà
Tuy nhiên, chúng
động lượng, vì vậy

các
nhà vật lý có thể suy ra sự tồn tại của chúng từ năng lượng và động

14
Hình 3.1:Vật chất tối được phân bố trong vũ trụ theo mơ hình giống như mạng lưới
(NASA/JPL-Caltech). [Nguồn Internet]


lượng

bị

“mất

tích”

sau một vụ va chạm.
- Trong số ứng cử viên đông đảo của Vật chất tối, nơtrino được người

ta

chú

ý

và

coi

trọng nhất. Vì rằng nó là một loại hạt đã được biết chắc tồn tại trong
vũ

trụ,

vả

lại

số

lượng lại cực kì nhiều. Đặc biệt là năm 1980, sau khi Viện nghiên cứu
vật

lí

lí

thuyết

và

thực nghiệm của Liên Xơ thơng báo khối lượng nghỉ của nơtrino có
thể

khơng

bằng

khơng, đã mang lại cho các nhà khoa học một không gian tưởng
tượng

phong

phú

về

mối quan hệ giữa nơtrino và Vật chất tối. Do số lượng của nơtrino
cực

kì

nhiều,

cho

dù

khối lượng nghỉ của nó rất nhỏ nhoi, tổng khối lượng của chúng vẫn
khá

là

đáng

kể.

Ngoài ra, đại đa số các nơtrino khơng phát sáng, chỉ có tác động điện
tử

rất

yếu,…

những

tính chất này làm cho nó rất giống với Vật chất tối.

- Một nghiên cứu được công bố vào tháng 12 năm 2021 trên Tạp chí Vật lý Thiên văn
lập luận rằng Vật chất tối có thể tập trung trong các lỗ đen , cánh cổng mạnh mẽ dẫn
đến
hư vô do lực hấp dẫn cực lớn của chúng nuốt chửng mọi thứ xung quanh chúng. Như
vậy, Vật chất tối sẽ được tạo ra trong Vụ Nổ Lớn cùng với tất cả các yếu tố cấu thành
khác của vũ trụ như chúng ta thấy ngày nay.

15


- Một thí nghiệm được gắn trên Trạm Vũ trụ Quốc tế có tên là Máy quang phổ từ tính
Alpha (AMS) phát hiện phản vật chất trong các tia vũ trụ. Kể từ năm 2011, nó đã bị
tấn cơng bởi hơn 100 tỷ tia vũ trụ, cung cấp những hiểu biết hấp dẫn về thành phần của
các hạt đi qua vũ trụ. [13]

- Đài quan sát Neutrino IceCube, một thí nghiệm bị chơn vùi dưới bề mặt đóng băng
của Nam Cực, đang tìm kiếm các neutrino vơ trùng giả định. Neutrino vô trùng chỉ
tương tác với vật chất thông thường thơng qua lực hấp dẫn, khiến nó trở thành ứng cử
viên nặng ký cho Vật chất tối. [13]

-

Các

thí

nghiệm
nhằm

phát hiện

các hạt Vật

chất

khó nắm bắt
hành trong các máy

tối

cũng được tiến
va chạm hạt cực

Hình 3.2: Neutrino khơng mang điện và khối lượng gần như bằng 0.
[Nguồn Internet]
mạnh tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) ở Thụy Sĩ.

16


- Một số kính thiên văn quay quanh Trái đất đang tìm kiếm các tác động của Vật chất
tối. Tàu vũ trụ Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu , đã nghỉ hưu vào năm 2013, đã
dành bốn năm ở Lagrangian Point 2 (một điểm trong quỹ đạo xung quanh mặt trời, nơi
tàu vũ trụ duy trì vị trí ổn định so với Trái đất), lập bản đồ phân bố của nền vi sóng vũ
trụ , một di tích từ Vụ Nổ Lớn, trong vũ trụ. Sự bất thường trong sự phân bố của nền vi

sóng này đã tiết lộ manh mối về sự về sự phân bố của Vật chất tối.

Hình 3.3: Bầu trời vi sóng do phi thuyền Planck cung cấp.
[Nguồn Internet]

17


- Kính viễn vọng khơng gian James Webb, được phóng sau 30 năm phát triển vào ngày
25 tháng 12 năm 2021, cũng được cho là sẽ góp phần vào việc săn tìm chất khó nắm
bắt. Với đơi mắt hồng ngoại của nó có thể nhìn thấy từ thuở sơ khai, kính viễn vọng
của thế kỷ này sẽ khơng thể nhìn thấy Vật chất tối một cách trực tiếp, nhưng thông qua
việc quan sát sự tiến hóa của các thiên hà kể từ giai đoạn đầu của vũ trụ, nó được kỳ
vọng sẽ cung cấp những hiểu biết sâu sắc điều đó đã khơng thể thực hiện được trước
đây.

Hình 3.4: Kính viễn vọng James Webb. [Nguồn Internet]

18


- Thiên hà Dragonfly 44 từng được cho là chứa tới 99,99% Vật chất tối. Đối với Vật
chất tối, chúng ta có thể nhận biết sự tồn tại của nó qua việc quan sát hiện tượng gọi là
thấu kính hấp dẫn, tức là ánh sáng bị bẻ cong quanh các vật thể khổng lồ nhờ lực hấp
dẫn cực mạnh của chúng. Việc ánh sáng bị bẻ cong giúp chúng ta xác định khối lượng
của một vật thể, chẳng hạn như một thiên hà.

Hình 3.5: Ảnh minh họa. [Nguồn Internet]
3.2 Một vài phương pháp/quá trình nghiên cứu về Năng lượng tối
Một vài các thí nghiệm hoặc phương pháp đã được thực hiện để nghiên cứu về

Năng lượng tối:

19


+ Thực nghiệm XENON1T ở Italy có thể do Năng lượng tối gây ra, và không phải Vật
chất tối mà thực nghiệm này đã được thiết kế để dò điều đó:

+

Họ

đã thiết
kế một
mơ
hình
vật lý
để giải
thích
các kết
quả
này,
vốn có
thể

là

bắt
nguồn từ

Hình 3.6: Ảnh minh họa Năng lượng tối. [9]
các hạt Năng lượng tối được tạo ra tại một vùng của Mặt trời với từ trường mạnh, dẫu
sẽ cần các thực nghiệm tương lai để xác nhận giải thích này. Tiến sĩ Sunny Vagnozzi
của Viện nghiên cứu Vũ trụ học Kavli Cambridge, tác giả thứ nhất của bài báo cho
biết: “Các thực nghiệm lớn như XENON1T đã được thiết kế để dò Vật chất tối một
cách trực tiếp bằng việc tìm kiếm các dấu hiệu của Vật chất tối ‘ẩn’ trong vật chất
thông thường, nhưng Năng lượng tối thậm chí cịn khó dị hơn”. [9]
+ Một mơ phỏng máy tính cho thấy các thiên hà chảy với nhau để tạo thành một cụm
dày đặc (được hiển thị bằng màu đỏ) khoảng 10 tỷ năm trước. Các mũi tên màu vàng
cho biết các thiên hà đang di chuyển như thế nào. Dòng chảy của các thiên hà này phụ
thuộc vào sự cân bằng giữa Vật chất tối, Năng lượng tối và sự giãn nở của vũ trụ, vì
vậy việc đo chuyển động của chúng có thể giúp các nhà thiên văn xác định bản chất
của Năng lượng tối. [Nhóm Klaus Dolag/VVDS]

20


Hình 3.7: Ảnh mơ phỏng. [10]

+

Một

nhóm

các

nhà thiên văn học sẽ sử dụng “kính viễn vọng Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan”
(Sloan Digital Sky Survey telescope) 2,5 mét (100 inch) tại Apache Point, New
Mexico để đo dấu vết của sóng âm thanh từ Vụ Nổ Lớn ở khoảng cách lên tới 10 tỷ

năm ánh sáng. Một nghiên cứu trước đó của Sloan đã tìm thấy một số bằng chứng về
những sóng này trong sự phân bố của các thiên hà.

21


Hình 3.8: Bản đồ Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số của Sloan cho thấy có một
hình thái trong sự phân bố của các thiên hà, được biểu thị bằng hồng tâm. Việc
quan sát mơ hình này tại các thời điểm khác nhau trong lịch sử vũ trụ sẽ giúp
giải thích sự giãn nở của vũ trụ đã thay đổi như thế nào, điều này sẽ đặt ra
những giới hạn về bản chất của Năng lượng tối. [11]
NASA đang nghiên cứu thiết kế kính viễn vọng khơng gian lớn để nghiên cứu Năng
+

lượng tối, các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời và các chủ đề khác. Các thiết bị vũ trụ sẽ
nghiên cứu vạn vật ở các bước sóng hồng ngoại bị chặn bởi bầu khí quyển của Trái
Đất. Dự án đã bắt đầu vào năm 2020.[12]

TÀI LIỆU

Hình 3.9: Thiết kế tổng thể của LSST khi được hoàn
thành (thiết kế bởi Michael Mullen / công ty LSST).
[12]

THAM

KHẢO
[1] Trần Phương – D.Kim Thoa (2019), Nobel Vật lý 2019: Hiểu thêm vũ trụ mà ta chỉ
biết 5%, “ truy cập ngày 10/04/2022.

22


[2] Vũ trụ học vật lý, “ theo Wikipedia, truy cập ngày
10/04/2022.
[3] Năng lượng tối, “ theo Wikipedia, truy cập ngày
05/04/2022.
[4] Lịch sử vũ trụ, “ theo Wikipedia, truy cập ngày 09/04/2022.
[5] Dark Matter,“n/science/physics/dark-matter”, truy cập ngày
09/04/2022.
[6] Ethan Siegel (2014), Five Reasons We Think Dark Matter Exists,
“ truy cập ngày 09/04/2022.
[7] Sasha Brownsberger - Abagail Burrus (2018), Seeing the Invisible: A short history
of the scientific evidence of dark matter, “ truy cập ngày
09/04/2022.
[8] Little Pine (2021), Vật chất tối và Năng lượng tối, “ truy cập
ngày 19/04/2022.
[9] Tiasang (2021), Dò được năng lượng tối? Các nhà khoa học cho là có thể,
“ truy cập ngày 20/04/2022.
[10] Reaching for the Prize, “ truy cập ngày
19/04/2022.
[11] Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, “ truy cập ngày
18/04/2022.
[12] Large Synoptic Survey Telescope ,“ />truy cập ngày 20/04/2022.
[13] Nola Taylor Tillman (2022) , What Is Dark Matter?, “ truy
cập ngày 18/04/2022.

23