Vật chất tối và năng lượng tối (Đặng Vũ Tuấn Sơn) pdf

Vật chất tối và năng lượng tối

Rất nhiều người chưa có nghiên cứu nhiều về vũ trụ học thường nhầm
lẫn 2 khái niệm này, coi chúng là một. Thực chất vật chất tối (dark matter)
và năng lượng tối (dark energy) là 2 khái niệm hoàn toàn độc lập từ lịch sử
đên bản chất.

Chúng ta sẽ nói trước tiên về vật chất tối (dark matter)
Năm 1933, Fritz Zwicky phát hiện ra sự xuất hiện của loại vật chất
này khi đo vận tốc của các thiên hà trong quần thiên hà Coma.
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
lương 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.
Như vậy có thể suy đoán rằng có sự tồn tại của một loại vật chất còn chưa
biết. Chính sự tồn tại của vật chất này mà khối lượng thật của các thiên hà
thực chất lớn hơn rất nhiều khối lượng có thể quan sát được. Hiện vẫn chưa
có thực nghiệm nào xác nhận hoàn toàn sự có mặt của các vật chất tối này.
Tuy nhiên việc tồn tại của nó hiện nay là rất được tin tưởng do những hiệu
ứng đã đo được. Ứng dụng các phương pháp đo nói trên và so sánh kết quả
của chúng, người ta nhận ra rằng có một số tỉ lệ nhất định về khối lượng đo
được qua 2 phương pháp trên. Tỷ lệ khối lượng đo được bằng cách thứ nhất
so với cách thứ hai đôi với một số thiên hà elip đã đưọc xác định là khoảng 7
(7:1), tức là khối lượng thật lớn hơn 7 lần khối lượng đo được dựa vào độ
trưng của thiên hà. Các thiên hà xoắn có mật độ vật chất cao hơn thì tỷ lệ chỉ
từ 4 đến 5. Và khi áp dụng cách tính này cho qui mô tổng quát của vũ trụ thì
tỷ lệ này trong vũ trụ, vốn có không gian hầu hết là trống rỗng lên đến 300,

có nghĩa là nó khẳng định cho việc vật chất tối có mặt tại khắp mọi nơi trong
vũ trụ.
Nhiều người coi vật chất tối đóng góp một phần trong nghịch lí
Olbers.
Nghịch lí này là câu hỏi đặt ra tại sao với rất rất nhiều so như thế mà
vũ trụ không sáng rực mà lại tối thui như thế này, và tại sao vũ trụ không
đạt được trạng thái cân bằng nhiệt với các ngôi sao?
Khi lí thuyết BigBang ra đời cùng các kiểm chứng thuyết phục cũng
như các hệ quả và các suy đoán sau nó, người ta giải thích nghịch lí này như
sau: Trong giai đoạn đầu hình thành vũ trụ, vũ trụ trải qua một thời gian giãn
nở lạm phát, tự tăng kích thược và khối lượng (qua việc tạo ra các hạt co bản
liên tiếp) với tốc độ rát lớn (tăng thêm 10^50 lần chỉ trong vòng 10^-33
giây). Mặt khác vũ trụ hình thánh cách đây đã 15 tỉ năm, trong khi các ngôi
sao sớm nhất ra đời sau đó hơn 1 tỉ năm, sau khi vũ trụ đã trải qua thời kì
lạm phát và vẫn đang giãn nở. do đó ánh sáng từ các ngôi sao ở các vùng
khác nhau của vũ trụ không bao giờ đủ thời gian truyền đến với nhau, có
một chân trời giới hạn đường đi của các tia sáng đó trong không - thời gian.
Chính vì thế mà vũ trụ không sáng rự như ban ngày và các ngôi sao không
đủ thời gian để truyền toàn bọ nhiệt của chúng cho không gin xung quanh.
Một phần lí do nữa là 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
rát 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.
Năng lượng tối
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). Như chúng ta đều biết, phương
trình rường chứa trong nó một hằng số vũ trụ học (cosmological constant) -
một trong những hằng số quan trọng nhất của vũ trụ. Tuy nhiên nóp từng bị
chính Einstein bác bỏ vì sự có mwtj 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, ồng từng nói "Chúa không chơi trò xúc
xắc!", tuy nhiên những gì kiểm định từ lí thuyết BB 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 vạt chất trong vũ trụ để
làm nó giãn nở vĩnh viễn, và người ta đã gọi loại năng lượng này là "nang
lượng tối"


(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)
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.