BÁO CÁO MÔN HỌC VẬT CHẤT TỐI NĂNG LƯỢNG TỐI

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

BÁO CÁO MÔN HỌC
VẬT CHẤT TỐI NĂNG LƯỢNG TỐI

Giảng viên phụ trách: Đậu Sỹ Hiếu
Nhóm thực hiện: Nhóm 29 , lớp L03
Lớp: CK06

TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020


BÁO CÁO MÔN HỌC
VẬT CHẤT TỐI NĂNG LƯỢNG TỐI
Giảng viên phụ trách: Đậu Sĩ Hiếu
Giảng viên hướng dẫn: Đậu Sỹ Hiếu – Lê Quốc Khải
Nhóm thực hiện: Nhóm 29 , lớp L03


Vật lý 2

GIỚI THIỆU
Phần lớn vũ trụ chúng ta đang sống được cấu tạo từ các thành phần vơ hình hoặc
q nhỏ bé để chúng ta có thể nhình thấy. Tuy nhiên những thứ đó lại có tác động đến
tồn cục hoặc thậm chí là chi phối tất cả mọi thứ và chúng ta cũng ý thức được điều này
rất rõ ràng. Lấy ví dụ như năng lượng điện, đây là một loại năng lượng vơ hình chúng ta
khơng thể nào nhìn thấy nhưng chúng chi phối hầu hết các thiết bị trong nhà chúng ta.
Hoặc một ví dụ khác là suy nghĩ, suy nghĩ tạo ra và điều khiển mọi hoạt động của chúng
ta và suy nghĩ cũng là một loại năng lượng vơ hình.
Xét trong phạm vi lớn hơn thì tồn bộ vũ trụ của chúng ta cũng được vận hành và

cấu tạo bởi các loại năng lượng vơ hình khơng thể quan sát như lực hấp dẫn, lực điện từ
và một loại năng lượng vô cùng lớn đó là năng lượng tối. Ngồi ra vũ trụ của cúng ta còn
được cấu tạo bởi các vật chất đặc biệt. Như chúng ta tường được biết về vật chất chỉ là
các nguyên tử, những ngôi sao, thiên hà, hành tinh, cây, đá, các động vật và con người
nhưng những vật chất này chiếm chưa tới 5% trong vũ trụ chúng ta biết. Trong đó năng
lượng tối chiếm khoản 70%, khoảng 25% là vật chất tối và cả hai đều vơ hình.
Mặc dù cuộc sống cảu bạn là thực tế, Trái Đất hay Dải Ngân Hà cũng là thực tế.
Nhưng chúng ta cũng phải chấp nhận rằng tất cả những gì thực tế đó chỉ là một phần rất
nhỏ tồn tại trong vũ trụ và quan trọng hơn cả là hầu hết những thứ quan trọng chi phối vũ
trụ đều tồn tại ở dạng vơ hình khơng thể quan sát. Điều này thật lạ vì theo đó mọi thứ
chúng ta trải nghiệm một phần nhỏ của thực tế, và hơn hết là chúng ta khơng hề có manh
mối nào về chúng, nhưng chúng ta biết chúng tồn tại.
Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về một loại năng lượng và một loại vật chất vơ hình,
bí ẩn đang chi phối toàn bộ vũ trụ khiến cho các thiên hà đang ngày càng một rời xa nhau
hơn mà đến ngay cả vận tốc ánh sáng cũng không thể sánh được.
Chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu về “năng lượng tối” và “vật chất tối”.

1


MỤC LỤC
GIỚI THIỆU..............................................................................................................................................1
DANH SÁCH HÌNH ẢNH........................................................................................................................3
VẬT CHẤT TỐI........................................................................................................................................4
I. Vật chất tối là gì?...............................................................................................................................4
II. Con người tìm thấy vật chất tối như thế nào?................................................................................4
III. Thành phần vật chất tối..................................................................................................................5
IV. Bằng chứng quan sát.......................................................................................................................5
1. Đường cong thiên hà......................................................................................................................5
2. Vận tốc phân tán............................................................................................................................6

3. Thấu kính hấp dẫn.........................................................................................................................6
4. Cụm Bullet.....................................................................................................................................8
V. Lý thuyết mới về sự ra đời của vật chất tối.....................................................................................8
1. Hạt WIMP (hạt nặng tương tác yếu)............................................................................................8
2. Thí nghiệm DAMA/LIBRA...........................................................................................................9
3. Lực tối có tồn tại?........................................................................................................................10
VI. Phân loại vật chất tối và ứng dụng của nó...................................................................................10
1. Vật chất tối nóng (HDM).............................................................................................................10
2. Vật chất tối lạnh (CDM)..............................................................................................................11
3. Vật chất tối ấm (WDM)...............................................................................................................12
NĂNG LƯỢNG TỐI...............................................................................................................................13
I. Năng lượng tối là gì?........................................................................................................................13
II. Bản chất của năng lượng tối..........................................................................................................14
III. Bằng chứng cho sự tồn tại............................................................................................................14
1. Siêu tân tinh.................................................................................................................................14
2. Phông vi sóng vũ trụ....................................................................................................................15
IV. Các mơ hình năng lượng tối.........................................................................................................15
1. Mơ hình hằng số vũ trụΛ.............................................................................................................15
2.Các mơ hình trường vơ hướng cho năng lượng tối.....................................................................16
3. Mơ hình Brans- Dicke cho năng lượng tối (BD).......................................................................17
4. Mơ hình các chiều ngoại phụ (extra dimension)........................................................................17
THUẬT NGỮ...........................................................................................................................................18
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................................22


LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................................................23
NHẬN XÉT CẢU GIÁO VIÊN..............................................................................................................24

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1. Ảnh mơ phỏng vật chất tối trong vũ trụ.................................................................4

Hình 2.Thấu kính hấp dẫn mạnh theo quan sát của Kính viễn vọng khơng gian Hubble. . .6
Hình 3.Bản đồ vật chất tối cho một mảng bầu trời dựa trên phân tích thấu kính hấp dẫn
của khảo sát Kilo-Degree................................................................................................... 7
Hình 4.Bản đồ 3 chiều về sự phân bố vật chất tối quy mô lớn, được tái tạo từ các phép đo
của thấu kính hấp dẫn yếu với Kính viễn vọng Khơng gian Hubble[20]..............................7
Hình 5. Ảnh thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối (WIMP)...................................................... 9
Hình 6. Sơ đồ mặt cắt của máy dị DAMA /LIBRA với sàng lọc đa lớp của nó...............10
Hình 7.............................................................................................................................. 11
Hình 8. Ảnh tỉ lệ vật chất tối và năng lượng tối trong vũ trụ............................................13
Hình 10. Minh họa ba định luật Kepler đối với quỹ đạo hai hành tinh............................. 19


VẬT CHẤT TỐI
(Dark matter)

I. Vật chất tối là gì?
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 từ[1] để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết bị đo đạc hiện nay,
nhưng có thể nhận ra nó vì những ảnh hưởng hấp dẫn của có đối với chất rắn và 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[2], cũng như các lý thuyết được chấp nhận rộng rãi về Vụ Nổ Lớn[3], các nhà
khoa học nghĩ rằng vật chất tối chiếm tới 70% vật chất trong vụ trụ.

Hình 1. Ảnh mơ phỏng vật chất tối trong vũ trụ.

II. Con người tìm thấy vật chất tối như thế nào?
Năm 1933, Fritz Zwicky phát hiện ra sự xuất hiện của loại vật chất này khi đo vận
tốc cảu các thiên hà tròn cụm thiên hà Coma. Theo đó có hai cách xác định khối lượng
thiên hà.

 Cách thứ nhất là sự phân tán vận tốc trong cụm 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 đó có
thể xác định được tổng khối lượng của cụm thiên hà.
 Cách thứ hai là xác định độ chói của các thiên hà để rút ra khối lượng của chúng
và từ đó tính được tổng khối lượng của cụm.
Nhưng khối lượng của một cụm thiên hà tính theo cách thứ nhất ln lớn hơn nhiều
so với khối lượng được tính theo cách thứ hai, không thể do bất cứ sai số nào của phép
đo.


Như vậy có thể suy đốn rằng có sự tồn tại của một loại vật chất cịn chưa biết. Chính
sự tồn tại của vật chất này mà khối lượng thật của các thiên hà thực chất lớn hơn rất nhiều
so với khối lượng có thể quan sát được.

III. Thành phần vật chất tối.
Vật chất tối cũng có vai trị quan trọng đối với sự tạo thành cấu trúc và sự tiến hóa
thiên hà, và có ảnh hưởng đo được đến tính khơng đẳng hướng của bức xạ phơng vi sóng
vũ trụ. Các hiện tượng này chỉ rằng vật chất quan sát thấy 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 "thành phần vật chất tối".
Thành phần của vật chất tối chưa hiểu được, nhưng có thể bao gồm những hạt sơ cấp
mới nghĩ đến, như là WIMP[4], axion[5], và neutrino[6] thường và nặng; các thiên thể như là
sao lùn trắng[7] và hành tinh (được gọi chung là MACHO[8]) và đám khí khơng phát ra ánh
sáng. Bằng chứng hiện hành ủng hộ các mơ hình cho rằng thành phần chính của vật chất
tối là những hạt sơ cấp[9] chưa gặp, được gọi chung là "vật chất tối thiếu baryon [10]". Cũng
có thể xếp hố đen[11] vào một dạng vật chất tối. Tuy nhiên, giữa hố đen và vật chất tối có
nhiều điểm khác biệt. Vật chất tối bất kì nào cũng có 1 điểm gọi là gốc, chúng hút các
nguyên tử[12] trong không gian để tăng kích thước và càng đặc hơn. Gốc của vật chất tối
có lực hấp dẫn, vì vậy vật chất tối lớn đến mấy thì trọng lực [13] và áp suất chúng tạo ra là
vẫn khơng đổi. Cịn về hố đen, chúng không thể to ra, mà đơn thuần chỉ là một vịng xốy

với áp suất cực mạnh hút mọi thứ vật chất khác.Vật chất tối có thể di chuyển với vận tốc
ánh sáng khi nó đủ đặc, và thậm chí lúc đó nó có thể phá hủy 1 hành tinh. Hố đen có thể
là 1 dạng vật chất tối bị thuần hóa, nó khơng thể di chuyển nữa nhưng vẫn có áp suất cực
mạnh.

IV. Bằng chứng quan sát.
1. Đường cong thiên hà.
Cánh tay của các thiên hà xoắn ốc xoay quanh trung tâm thiên hà. Mật độ khối phát
sáng của một thiên hà xoắn ốc giảm khi người ta đi từ trung tâm ra ngồi rìa. Nếu khối
lượng phát sáng là tất cả vấn đề, thì chúng ta có thể mơ hình thiên hà như một khối điểm
ở trung tâm và kiểm tra các khối lượng quay quanh nó, tương tự như Hệ Mặt trời[14]. Từ
Định luật thứ hai của Kepler[15], dự kiến vận tốc quay sẽ giảm theo khoảng cách từ tâm,
tương tự như Hệ mặt trời. Điều này khơng được quan sát. Thay vào đó, đường cong xoay
thiên hà vẫn phẳng khi khoảng cách từ tâm tăng lên.
Nếu định luật của Kepler là chính xác, thì cách rõ ràng để giải quyết sự khác biệt này
là kết luận sự phân bố khối lượng trong các thiên hà xoắn ốc không giống với Hệ Mặt
trời. Đặc biệt, có rất nhiều vật chất khơng phát sáng (vật chất tối) ở vùng ngoại ô của
thiên hà.

5


Vật lý 2

2. Vận tốc phân tán.
Các ngôi sao trong các hệ thống ràng buộc phải tuân theo định lý virial [16] . Định lý này,
cùng với phân bố vận tốc đo được, có thể được sử dụng để đo phân bố khối lượng trong
một hệ thống ràng buộc, chẳng hạn như các thiên hà hình elip hoặc các cụm cầu. Với một
số ngoại lệ, ước tính phân tán vận tốc của các thiên hà hình elip khơng khớp với sự phân
tán vận tốc dự đoán từ phân bố khối lượng quan sát được.

Như với các đường cong xoay của thiên hà, cách rõ ràng để giải quyết sự khác biệt là
định nghĩa sự tồn tại của vật chất không phát sáng (vật chất tối).
3. Thấu kính hấp dẫn.
Một trong những hậu quả của thuyết tương đối rộng[17] là các vật thể lớn (như cụm
thiên hà) nằm giữa một nguồn xa hơn (như chuẩn tinh[18]) và người quan sát phải đóng vai
trị như một thấu kính để bẻ cong ánh sáng từ nguồn này. Một vật thể càng lớn, ống kính
càng được quan sát nhiều.
Thấu kính mạnh là sự biến dạng quan sát được của các thiên hà nền thành các cung
khi ánh sáng của chúng đi qua một thấu kính hấp dẫn như vậy. Nó đã được quan sát xung
quanh nhiều cụm ở xa bao gồm Abell 1689. Bằng cách đo hình học biến dạng, có thể thu
được khối lượng của cụm can thiệp. Trong hàng chục trường hợp đã được thực hiện, các
tỷ lệ khối lượng ánh sáng thu được tương ứng với các phép đo vật chất tối động của các
cụm. Thấu kính có thể dẫn đến nhiều bản sao của một hình ảnh. Bằng cách phân tích sự
phân bố của nhiều bản sao hình ảnh, các nhà khoa học đã có thể suy luận và lập bản đồ
phân bố vật chất tối xung quanh cụm thiên hà MACS J0416.1-2403.

Hình 2.Thấu kính hấp dẫn mạnh theo quan sát của Kính viễn vọng khơng gian Hubble.

6


Hình 3.Bản đồ vật chất tối cho một mảng bầu trời dựa trên phân tích thấu kính hấp dẫn
của khảo sát Kilo-Degree.
Thấu kính hấp dẫn yếu điều tra các biến dạng phút của các thiên hà, sử dụng các phân
tích thống kê từ các khảo sát thiên hà rộng lớn. Bằng cách kiểm tra biến dạng cắt[19] rõ
ràng của các thiên hà liền kề, sự phân bố trung bình của vật chất tối có thể được đặc
trưng. Các tỷ lệ khối lượng ánh sáng tương ứng với mật độ vật chất tối được dự đoán
bằng các phép đo cấu trúc quy mô lớn khác. Vật chất tối không tự bẻ cong ánh sáng; khối
lượng (trong trường hợp này là khối lượng của vật chất tối) uốn cong không thời gian.
Ánh sáng đi theo độ cong của không thời gian, dẫn đến hiện tượng thấu kính.

Hình 4.Bản đồ 3 chiều về sự phân bố vật chất tối quy mô lớn, được tái tạo từ các phép đo
của thấu kính hấp dẫn yếu với Kính viễn vọng Khơng gian Hubble[20].

7


Vật lý 2

4. Cụm Bullet.
Nếu vật chất tối không tồn tại, thì lời giải thích rất có thể tiếp theo phải là thuyết
tương đối rộng - lý thuyết hấp dẫn phổ biến [21] - là khơng chính xác và cần được sửa đổi.
Cụm Bullet, kết quả của một vụ va chạm gần đây của hai cụm thiên hà, đưa ra một thách
thức đối với các lý thuyết trọng lực đã được sửa đổi vì trung tâm khối lượng rõ ràng của
nó bị dịch chuyển rất xa so với tâm khối lượng baryonic [22]. Các mơ hình vật chất tối tiêu
chuẩn có thể dễ dàng giải thích quan sát này, nhưng trọng lực biến đổi có thời gian khó
khăn hơn nhiều,đặc biệt vì bằng chứng quan sát là độc lập với mơ hình.
* Ngồi ra vẫn cịn một số bằng chứng quan sát khác như:
- Cụm thiên hà.
- Nền vi sóng vũ trụ.
- Cấu trúc hình thành (Structure formatio).
- Đo khoảng cách siêu tân tinh (Type Ia supernova distance measurements).
- Biến dạng không gian đỏ (Redshift-space distortions).
- Cấu trúc Lyman-alpha (Lyman-alpha forest).

V. Lý thuyết mới về sự ra đời của vật chất tối.
1. Hạt WIMP (hạt nặng tương tác yếu).
Mặc dù với nền khoa học vũ trụ hiện đại nhưng vật chất tối là gì vẫn là một vấn đề
chưa thể khẳng định một cách chính xác. Nhà vât lý học Don Lincoln từ Bộ Năng lượng
Mỹ cho biết ban đầu các nhà khoa học phỏng đoán rằng việc mất khối lượng xảy ra ngồi

khơng gian là do các ngơi sao đang tắt có kích thước nhỏ và hố đen, tuy nhiên hiện khơng
có đủ quan sát trực tiếp cho thấy tác động của hai thứ trên lên cật chất tối. Giả thuyết
được công nhận rộng rãi cho rằng vật chất tối là loại hạt có tên Weakly Interacting
Massive Particle hay WIMP. Loại hạt này hoạt động gần giống neutron nhưng lại có khối
lượng nặng hơn hạt proton từ 10 đến 100 lần. Vì vậy, các nhà khoa học đã tiến hành
nhiều thí nghiệm để nghiên cứu số lượng lớn các loại hạt vật chất bình thường ở dưới
lịng đất nhằm ngăn cản các loại bức xạ để có thể bắt được khoảnh khắc va chạm của vật
chất tối. Tuy nhiên sau nhiều thập kỷ, khơng một cảm biến nào có thể khám phá ra điều
gì mới. Đầu năm nay, thí nghiệm của một công ty Trung Quốc là PandaX cho kết luận
rằng không tồn tại hạt WIMP. Dường như hạt vật chất tối nhỏ hơn nhiều so với hạt WIMP
hoặc thiếu các đặc điểm có thể giúp q trình nghiên cứu dễ dàng hơn, theo nhà vật lý
học Hai-Bo Yu từ đại học California.
Trong khi các nhà vật lí ngày càng rời xa WIMP, thì các hạt vật chất tối khác bắt

đầu được quan tâm. Một trong những giả thuyết khác là một hạt giả định gọi là axion, cực
8


kì nhẹ, có thể là nhẹ hơn proton hàng tỷ tỷ lần. Một vài thí nghiệm đang được tiến hành
để tìm kiếm axion.

Hình 5. Ảnh thí nghiệm tìm kiếm vật chất tối (WIMP).
2. Thí nghiệm DAMA/LIBRA.
Một bí ẩn lâu đời trong ngành vật lý hạt là kết quả của thí nghiệm tại châu Âu có tên gọi
DAMA/LIBRA. Chiếc máy nằm trong một khu mỏ dưới lòng đất bên dưới dãy núi Gran
Sasso, Ý. Có nhiệm vụ tìm kiếm dao động tuần hoàn của hạt vật chất tối. Dao động này
phát khi Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo quanh Mặt Trời của chúng ta, thỉnh thoảng
cịn được gọi là gió vật chất tối. Năm 1997, DAMA/LIBRA khẳng định đã tìm thấy chính
xác loại tín hiệu nào mặc dù khơng có thí nghiệm nào tìm được được thứ như vậy.

Hình 6. Sơ đồ mặt cắt của máy dị DAMA /LIBRA với sàng lọc đa lớp của nó.
3. Lực tối có tồn tại?
Cùng với hạt tối, cũng có khả năng vật chất tối chịu tác động của những lực tương
tự các vật chất khác. Một số nhà khoa học đã tìm kiếm “photon tối”, chúng có thể giống
như các photon được trao đổi giữa các hạt bình thường và tạo ra lực điện từ, ngoại trừ
việc chúng sẽ chỉ được nhận bởi các hạt vật chất tối. Các nhà vật lí ở Italy đang cố gắng
bắn một chùm electron và phản hạt của chúng, có tên là positron [23], và một viên kim
cương. Nếu photon tối thật sự có tồn tại, thì các cặp electron-positron có thể phá hủy
nhau và tạo ra một trong những loại hạt có lực kỳ lạ, có khả năng mở ra một lĩnh vực
hồn tồn mới.

VI. Phân loại vật chất tối và ứng dụng của nó.
Khơng tồn tại sự đồng thuận trong cộng đồng vật lý lý thuyết về việc liệu vật chất
tối có chia thành nhiều loại 'khác nhau hay không, nhưng vẫn tồn tại bằng chứng phân
biệt vật chất tối thành loại "nóng" (HDM [24]) và " lạnh " (CDM[25]) mà một số người thậm
chí cịn đề xuất giữa mặt đất của vật chất tối "ấm" (WDM[26]). Thuật ngữ này khơng có
nghĩa là gọi bất kỳ mối liên hệ nào với nhiệt độ, mà thay vào đó đề cập đến kích thước
của các hạt vật chất tối có ý nghĩa (WIMP). Đổi lại, kích thước của các hạt xác định vận
tốc mà chúng di chuyển trong mối quan hệ nghịch đảo: HDM di chuyển nhanh hơn CDM
vì các hạt HDM trên cơ sở lý thuyết là có khối lượng thấp hơn.
1. Vật chất tối nóng (HDM).
- Vật chất tối nóng là một hình thức lý thuyết của vật chất tối trong đó bao gồm
các hạt chuyển động với vận tốc ultrarelativistic.

10


- Ứng dụng: Về mặt ứng dụng của nó, việc phân phối vật chất tối nóng cũng có thể
giúp giải thích cách các cụm và siêu đám thiên hà hình thành sau Vụ nổ lớn Big Bang.

Các

11


nhà lý luận cho rằng tồn tại hai loại vật chất tối: (1) những nhóm "tập hợp xung quanh
các thành viên riêng lẻ của một cụm thiên hà có thể nhìn thấy" và (2) bao gồm "tồn bộ
cụm". Bởi vì vật chất tối lạnh có vận tốc thấp hơn, nó có thể là nguồn gốc của "các khối
nhỏ hơn, có kích thước thiên hà", như trong hình 7.

Hình 7.
2. Vật chất tối lạnh (CDM)
- CDM là một loại vật chất tối mà nếu nó tồn tại, di chuyển chậm so với tốc độ ánh
[27]
sáng . Nó được cho là đã có mặt trong vũ trụ ngay từ khi bắt đầu và rất có khả năng ảnh
hưởng đến sự phát triển và tiến hóa của các thiên hà. cũng như sự hình thành của những
ngơi sao đầu tiên. Các nhà thiên văn học và vật lý học nghĩ rằng rất có thể đó là một hạt
kỳ lạ chưa được phát hiện. Nó rất có thể có một số thuộc tính rất cụ thể:
* Nó sẽ phải thiếu một sự tương tác với lực điện từ. Điều này khá rõ ràng,
vì vật chất tối là bóng tối. Do đó, nó khơng tương tác với phản xạ hoặc tỏa bất kỳ loại
năng lượng nào trong phổ điện từ.
* Tuy nhiên, bất kỳ hạt ứng cử viên nào tạo ra vật chất tối lạnh sẽ phải tính
đến việc nó phải tương tác với trường hấp dẫn. Để chứng minh điều này, các nhà thiên
văn học đã nhận thấy rằng sự tích tụ vật chất tối trong các cụm thiên hà mang lại ảnh
hưởng hấp dẫn lên ánh sáng từ các vật thể ở xa hơn xảy ra. Cái gọi là "hiệu ứng thấu kính
hấp dẫn" này đã được quan sát nhiều lần.

12

Vật lý 2

3. Vật chất tối ấm (WDM)
- WDM là một dạng vật chất tối được giả thuyết có tính chất trung gian giữa vật
chất tối nóng và vật chất tối lạnh, làm cho sự hình thành cấu trúc xảy ra từ dưới lên trên
thang đo dòng chảy tự do của chúng và từ trên xuống dưới quy mơ dịng chảy tự do. Các
ứng cử viên WDM phổ biến nhất là neutrino vô trùng và gravitinos[28]. Các WIMP (các
hạt lớn tương tác yếu), khi được tạo ra khơng nhiệt có thể là ứng viên đại diện cho vật
chất tối ấm. Tuy nhiên, nói chung, các WIMP được sản xuất bằng nhiệt là các ứng cử viên
của vật chất tối lạnh.

NĂNG LƯỢNG TỐI
(Dark energy)
I. Năng lượng tối là gì?
Năng lượng tối là dạng năng lượng khơng 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 khơng đổi mà Albert Einstein từng dự đốn.
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 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 khơng 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 tốn 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 8. Ảnh tỉ lệ vật chất tối và năng lượng tối trong vũ trụ.
13


Vật lý 2

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 ngun 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

14


chân khơng hồn hảo thì khơng hồn tồn trống rỗng mà được chống 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 ngun tử ổn định. Nếu khơng 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 khơng hồn hảo của thế giới vi mơ [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.

II. Bản chất của năng lượng tối.

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 tốn 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 khơng 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 tốn các mơ 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.
III. Bằng chứng cho sự tồn tại.
1. 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 trị tiên phong trong phát hiện
trên.
Từ đó, các quan sát trên đã được chứng thực bởi hàng loạt các nguồn tự do. Tính
tốn phơng vi sóng Vũ trụ, hội tụ hấp dẫn và các cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ cũng
như là các tính tốn nâng cao trên các siêu tân tinh cùng nhất quán với mơ hình LamdaCDM[30]. Một số người đã tranh luận rằng bằng chứng duy nhất chứng tỏ được sự tồn tại
của một loại năng lượng như năng lượng tối là từ các quan sát trên việc tính tốn 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-Lemtre nhỏ xíu 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.
2. Phơng vi sóng vũ trụ.
Sự tồn tại của năng lượng tối, trong bất kỳ hình thức nào, đều cần thiết để dung
hịa các tính tốn hình học của Vũ trụ với tổng vật chất trong Vũ trụ. Tính tốn về bất
đẳng hướng phơng vi sóng Vũ trụ chỉ ra rằng Vũ trụ gần như phẳng. Để hình dáng của
Vũ trụ có thể có dạng phẳng, tỷ 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 phơng 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[31]) mất bảy năm phân tích đã
đưa ra kết luận một Vũ trụ cấu tạo từ 72.8% năng lượng tối, 22.7% vật chất tối và 4.5%
vật chất thường. Các thí nghiệm hồn thành năm 2013 dựa trên các quan sát của tàu vũ
trụ Planck trên phơng 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.

IV. Các mơ hình năng lượng tối.
1. Mơ hình hằng số vũ trụΛ.
Mơ 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, ơng đã cố chỉnh sửa các
phương trình của thuyết tương đối rộng bằng cách thêm vào một hằng số, gọi là hằng số
vũ trụ , 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 tốn học chứ khơng hề nghĩ
rằng hằng số đó lại phản ánh một sự thực nào đó. Năm 1929, nhà thiên văn người Mỹ
Endwin Hubble khám phá ra sự giãn nở của vũ trụ thì Einstein mới nói rằng, đó là ngu
ngốc lớn nhất của đời ơng. 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.


2.Các mơ hình trường vơ hướng cho năng lượng tối.
 Mơ hình ngun 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 mơ hình trường vơ hướng tổng qt hơn để giải thích sự tồn tại của
dạng năng lượng mới này. Một trong các mơ hình trường vơ hướng tiêu biểu là mơ hình
ngun tố hạt thứ năm (Quintessence).
Quintessence là một trường vô hướng φ đồng nhất trong không gian là liên kết với
trường hấp dẫn thông qua một thế đặc biệt V( φ )
Hàm tác dụng Quintessence được cho bởi:
S = ∫ �x4√−�[−1.(∆φ)2 - V( φ )]
2

 Trường Tachyon.
Trường Tachyon tác động như một nguồn của năng lượng tối phụ thuộc vào một
dạng thế thích hợp. Hàm tác dụng cho trường Tachyon được đề nghị bởi Sen có dạng:
+ ∅� ∅}
�
2
(
)
S
=
�x4{

−�
.
�
−
V
φ
∫ (�
√det
√

�
�

2

�

�

 Mơ hình K-essence.
Mơ hình K-essence được đặc trưng bởi hàm tác dụng:
S = ∫ �x4√−�p(∅, �)
-

Phương trình trạng thái của trường:
�∅ =

�(∅)(−� + �2) (� − 1)
=
�(∅)(−� + 3�2)

(3� − 1)

Phương trình trên chứng tỏ rằng động năng X giữ một vai trò quan trọng trong việc
xác định hương trình trạng thái �∅ của trường Kessence ∅.
Nếu 1 < � <
2

2

thì −1 < � <

3

∅

−1

khi đó trường ∅ biểu diễn năng lượng tối gây ra sự giản

3

nở gia tốc của vũ trụ.
 Trường Plantom.
Những mơ hình trường vơ hướng mà ta đã đề cập đến đều có phương trình trạng
thái ω ≥ − 1. Mơ hình trường vơ hướng dựa trên những dữ liệu quan sát gần đây chứng
tỏ


rằng phương trình trạng thái có thể nhỏ hơn -1. Trường Plantom cho năng lượng tối là một
trường vô hướng có động năng âm.

- Hàm tác dụng của trường Phantom liên kết với trường hấp dẫn cho bởi:
S = ∫ �x4√−�[−1.(∆∅)2 - V(∅)]
2

3. Mơ hình Brans- Dicke cho năng lượng tối (BD).
Lý thuyết Brans-Dicke (BD) là sự mở rộng của lý thuyết tương đối tổng quát:
�
S = ∫ �x4√−
�[−−� + ���� �� � + � ]
�

�

�

�

4. Mơ hình các chiều ngoại phụ (extra dimension).
Lý thuyết này cho rằng năng lượng tối mà chúng ta nghiên cứu là do tính khơng
đồng nhất và khơng đẳng hướng của vũ trụ. Vũ trụ trong mơ hình này bao gồm này bao
gồm vũ trụ 4 chiều (4D) Einstein ( 3 chiều không gian với 1 chiều thời gian) và các chiều
ngoại phụ (extra dimensions) được thêm vào do tính khơng đồng nhất, khơng đẳng hướng
của vũ trụ.
Mơ hình dựa trên khơng-thời gian 13n + + 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, lúc đó metric[33] mỡ rộng Robertson- Walker diễn tả bởi không thời gian có
dạng:
�

�
+2 � 2 � Ω 2 ) −
+ �2�Ω2)
�
�
(�
)(
�
2
��2 �
��2 �
��
= ��2 −
2
� (�) (
�
�
1−�

�

2
�

�
�

1−
�

2
��

�

�


THUẬT NGỮ
[1] Dao động điện từ: (hay sóng điện từ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ
trường vng góc với nhau, lan truyền trong khơng gian như sóng. Sóng điện từ cũng bị
lượng tử hố thành những "đợt sóng" có tính chất như các hạt chuyển động gọi là photon.
[2] Thiên hà: là một hệ thống lớn các thiên thể và vật chất liên kết với nhau bằng lực hấp
dẫn, bao gồm sao, tàn dư sao, mơi trường liên sao chứa khí, bụi vũ trụ và vật chất tối, một
loại thành phần quan trọng nhưng chưa được hiểu rõ.
[3] Vụ Nổ Lớn: (hay Big Bang) là mơ hình vũ trụ học nổi bật miêu tả giai đoạn sơ khai
của sự hình thành Vũ trụ. Theo lý thuyết này, Vụ Nổ Lớn xảy ra cách hiện nay xấp
xỉ 13,798 ± 0,037 tỷ năm trước và được các nhà vũ trụ học coi là tuổi của vũ trụ.
[4] WIMP là viết tắt của Weakly Interacting Massive Particle.
[5] Axion là một giả thuyết hạt cơ bản được đề xuất bởi các lý thuyết Peccei-Quinn vào
năm 1977 để giải quyết vấn đề CP mạnh trong sắc động lực học lượng tử. Nếu axion tồn
tại và có khối lượng thấp trong một phạm vi cụ thể, họ được quan tâm như là một thành
phần có thể có của vật chất tối lạnh.
[6] Neutrino: (được ký hiệu bằng ký tự Hy Lạp �) là một fermion (một hạt sơ cấp có
spin bán nguyên 1 ) chỉ tương tác với các hạt sơ cấp khác thông qua tương tác hạt nhân
yếu và
2

tương tác hấp dẫn. Khối lượng của neutrino nhỏ hơn rất nhiều so với khối lượng của các
hạt cơ bản khác từng được biết đến.

[7] Sao lùn trắng: là thiên thể được tạo ra khi các ngơi sao có khối lượng thấp và trung
bình "chết" (tiêu thụ hết nhiên liệu phản ứng hạt nhân trong sao).
[8] MACHO: viết tắt của Massive Compact Halo Object.
[9] Hạt sơ cấp (hay elementary particle): à các hạt hạ ngun tử khơng có các cấu trúc
phụ, khơng được cấu tạo từ những hạt khác.[1] Vì thế hạt sơ cấp được coi là tồn tại như
một hạt nguyên vẹn, đồng nhất, không thể tách thành các phần nhỏ hơn. Cho đến thời
điểm hiện tại các hạt được cho là sơ cấp bao gồm: Các loại "hạt vật chất" và "hạt phản vật
chất" thuộc họ fermion (quark, lepton, phản quark và phản lepton), "các hạt lực" làm
trung gian tương tác giữa các hạt fermion thuộc họ hạt boson (gauge bosons và Higgs
boson). Một hạt chứa hai hoặc nhiều hạt cơ bản là một hạt tổng hợp.


[10] Baryon hay còn gọi là baryon fermion: là các hạt hadron có spin bán nguyên (do
đó là fermion) chứa 3 quark hóa trị và 3 phản quark hóa trị.
[11] Hố đen (hay hốc đen): là một vùng không - thời gian có một trường hấp dẫn mạnh
đến nỗi khơng có vật chất nói chung chiếm khối lượng và khơng gian nhất định hoặc các
bức xạ và ánh sáng nào có thể thốt ra ngồi.
[12] Ngun tử: là đơn vị cơ bản của vật chất chứa một hạt nhân ở trung tâm bao quanh
bởi đám mây điện tích âm các electron.
[13] Trọng lực (hay lực hấp dẫn): lực hấp dẫn là lực hút giữa mọi vật chất và có độ lớn tỷ
lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của hai
vật.
[14] Hệ mặt trời: là 1 hệ hành tinh có Mặt Trời ở trung tâm và các thiên thể nằm trong
phạm vi lực hấp dẫn của Mặt Trời, tất cả chúng được hình thành từ sự suy sụp của 1 đám
mây phân tử khổng lồ cách đây gần 4,6 tỷ năm.
[15] Định luật thứ hai của Kepler: Đường nối một hành tinh với Mặt trời quét qua
những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau.

Hình 10. Minh họa ba định luật Kepler đối với quỹ đạo hai hành tinh.
[16] Định lý Virial: Giả sử ta có một hệ các hạt tương tác với nhau và chuyển động có

giới hạn, khơng hạt nào chạy ra vơ cùng (ví dụ như hệ mặt trời). Lúc đó, trung bình của
động năng T tỷ lệ với trung bình của một đại lượng Clausius gọi là virial.
[17] Thuyết tương đối rộng (hay thuyết tương đối tổng quát): là lý thuyết hình học của
lực hấp dẫn do nhà vật lý Albert Einstein công bố vào năm 1916 và hiện tại được coi là lý
thuyết miêu tả hấp dẫn thành công của vật lý hiện đại.


[18] Chuẩn tinh(quasar): là thiên thể cực xa và cực sáng, với dịch chuyển đỏ rất lớn đặc
trưng. Trong phần ánh sáng biểu kiến, quasar trông giống một ngôi sao bình thường, tức
nguồn phát sáng điểm. Thực tế, đó là ánh sáng phát ra từ các quầng vật chất đặc, nằm
quanh vùng nhân của các thiên hà hoạt động (thiên hà trẻ), thường là các hố đen siêu lớn.
[19] Biến dạng cắt: Khi hai thanh liền kề tại một phần vng góc chéo với trục thanh,
nhưng theo hướng ngược lại khi các lực lượng bên, sự xuất hiện của lực lượng biến dạng
cho hai hướng cắt ngang dọc theo trật khớp bên đối diện, biến dạng này được gọi là cắt
biến dạng cắt.
[20] Kính viễn vọng Khơng gian Hubble(HST): là một kính viễn vọng khơng gian đang
hoạt động của NASA. Hubble khơng phải là kính viễn vọng khơng gian đầu tiên trên thế
giới nhưng nó là kính viễn vọng lớn và mạnh nhất từng được phóng cho tới hiện tại. Nó
được đưa lên và hoạt động trên quỹ đạo của Trái Đất tại độ cao khoảng 610 km, cao hơn
khoảng 220 km so với độ cao quỹ đạo của trạm vũ trụ quốc tế ISS. Với tốc độ di chuyển
khoảng 7500 m/s, Hubble có thể quay 1 vịng quanh Trái Đất trong thời gian 97 phút và
15 lần mỗi ngày.
[21] Lý thuyết hấp dẫn phổ biến: là những định luật hấp dẫn của Newton.
[22] Baryonic (hay baryonic matter): là một vấn đề của baryon trong đó bao gồm các
nguyên tử cấu tạo lên nó. Ngồi ra cịn có non-baryonic matter ( vật chất không phải
baryon) bao gồm neutrino, các electron tự do, vật chất tối, các hạt siêu đối xứng, trục và
lỗ đen.
[23] Positron: là phản hạt của electron với khối lượng và spin bằng khối lượng và spin
của electron, nhưng có điện tích trái dấu với electron. Positron là phản hạt đầu tiên được
phát hiện trong thế giới các hạt vi mô.

[24] HDM: là viết tắt của cụm từ Hot Dark Matter.
[25] CDM: là viết tắt của cụm từ Cold Dark Matter.
[26] MDH: là viết tắt của cụm từ Warm Dark Matter.
[27] Tốc độ ánh sáng: trong chân không, ký hiệu là c, là một hằng số vật lý cơ bản quan
trọng trong nhiều lĩnh vực vật lý. Nó có giá trị chính xác bằng 299.792.458 mét trên giây,
bởi vì đơn vị độ dài mét được định nghĩa lại dựa theo hằng số này và giây tiêu chuẩn.
[28] Gravitinos: Trong các lý thuyết siêu trọng lực kết hợp thuyết tương đối rộng và siêu
đối xứng , gravitino (G͂ ) là đối tác siêu đối xứng fermion của graviton giả thuyết . Nó đã
được đề xuất như là một ứng cử viên cho vật chất tối.
[29] Thế giới vi mô: