Chương 1 TỔNG QUAN Trong chương này, chúng tôi sẽ lần lượt liệt kê và trình bày các bằng chứng thực nghiệm mà cho thấy sự tồn tại của vật chất tối , sau đó rút ra được những đặc điểm, tính chất đặc biệt của vật chất tối. Tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu một số ứng viên cho vật chất tối và phương pháp tìm kiếm chúng theo ba phương pháp là tìm kiếm trực tiếp, tìm kiếm gián tiếp và tìm kiếm trong các máy gia tốc.1 Các bằng chức thực nghiệm cho vật chất tối Bằng chứng đầu tiên cho vật chất tối xuất phát từ một quan sát của nhà thiên văn học người Hà Lan năm 1932, Jan Oort, người đã quan sát sự chuyển động của các sao trong nhóm địa phương và tìm thấy tổng khối lượng của các sao phát sáng trong nhóm này không bằng khối lượng của cả nhóm.Oort đã giải thích sự thiếu hụt khối lượng này bằng việc dùng khái niệm sao ẩn (dim stars) [40].Wicky, một năm sau đó, với việc quan sát chuyển động của các thiên hà trong cụm thiên hà Coma vào năm 1933, kết hợp với dữ liệu tốt hơn, cũng cho kết quả tương tự J. Wicky thấy rằng các thiên hà trong cụm chuyển động nhanh hơn bình thường và lực hấp dẫn là không đủ để giữ được cấu trúc của cụm nếu chỉ tính đóng góp lực hấp dẫn của vật chất nhìn thấy được. Bằng việc áp dùng định lý virial, Wicky tìm thấy rằng toàn bộ khối lượng trong cụm Coma lớn hơn gấp trăm lần nếu so với tổng khối lượng của các ngôi sao trong 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tổng quan từng thiên hà của cụm.
Đến những năm 60 của thế kỷ trước, với sự phát triển của công nghệ tại thời điểm đó, người ta lần đầu đo được vận tốc quay của các thiên hà xoắn ốc. Kết quả cho thấy rằng hầu hết các vật thể phát sáng trong vũ trụ như sao, thiên hà, chuyển động nhanh hơn so với dự đoán của chúng ta , nếu như chúng chỉ chịu tác dụng của lực hấp dẫn của những vật thể quan sát đươc. Theo lý thuyết hấp dẫn của Newton, vận tốc quay của một sao trên một quỹ đạo Keple với bán kính p R r quay một thiên hà hà có dạng v ∼ M (r)/r với M (r) = 4π ρ(r)r2 dr là khối √ lượng và ρ(r) là mật độ khối lượng và thường tuân theo quy luật ρ(r) ∼ 1/ r. Theo quy luật này thì khi đo tại bán kính càng lớn thì v sẽ giảm , tuy nhiên quan sát trong nhiều thiên hà, giá trị của v trở thành hằng số tại các điểm này và được minh hoạ ở đồ thị (1.1: Đồ thị giữa vận tốc quay và khoảng cách đến tâm thiên hà của một số thiên hà xoắn ốc.
Ta thấy mỗi thiên hà đều có xu hướng chung là vận tốc đều tiến tới những giá trị không đổi khi khoảng cách đến tâm thiên ha càng xa [49] 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tổng quan Hình 1.2: Đồ thị so sánh sự phụ thuộc giữa vận tốc quay và khoảng cách đến tâm thiên hà của vật chất tối, vành, đĩa và khí của cụm thiên hà NGC 6503 [21] Các vận tốc bất thường này không thể giải thích nếu như chỉ xét đóng góp của vật chất quan sát thấy. Thay vào đó, phải tồn tại một thứ nào đó, không quan sát được, có khối lượng rất lớn , M (r) ∝ r. Nó phân bố đều trong ngân hà , có mật độ khối lượng ρ(r) ∝ 1/r2. Tuy nhiên tại một số điểm ρ sẽ giảm nhanh theo bán kính r để đảm bảo khối lượng là hữu hạn.
Sự tồn tại của vật chất tối còn được thể hiện qua hiệu ứng thấu kính hấp dẫn. Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn là hiện tượng xảy ra khi một vật có khối lượng vô cùng nặng như các cụm thiên hà nằm giữa nguồn phát (thường là quasar hay chuẩn tinh) và điểm quan sát, đóng vai trò như là một thấu kính bẻ cong đường truyền tia sáng dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Vật càng nặng thì ánh sáng càng bị bẻ cong. Sự phân bố khối lượng trong các cụm thiên hà cũng được xác định bởi hiện tượng này.
Tuy nhiên, giá trị đo được qua hiệu ứng lăng kính hấp dẫn lại không giống với kết quả của các phương pháp khác nếu như chỉ tính đến vật chất nhìn thấy đươc. Đó là bằng chứng rõ ràng nữa cho vật chất tối và người ta 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tổng quan ước tính được trong các cụm thiên hà thì lượng vật chất tối gấp năm lần lượng vật chất thông thường qua hiện tượng này. Một bằng chứng vô cùng thuyết phục cho vật chất tối đến từ sự kiện hai cụm thiên hà va chạm nhau, Theo đó, hai cụm thiên hà dưới tác động của lực hấp dẫn đã va chạm và đi xuyên qua nhau tại một thời điểm trong quá khứ. Khí baryonic trong hai cụm thiên hà này tham gia tương tác Coulomb, bị đốt nóng và bức xạ tia X cường độ rất mạnh mà chúng ta quan sát thấy ngày nay.
Phân tích bức xạ này cho thấy tại vùng va chạm chỉ có mặt của vật chất baryonic, trong khi đó hiện tượng lăng kính hấp dẫn chỉ ra rằng phần khối lượng vật chất còn lại bao gồm cả vật chất tối nằm trong từng thiên hà riêng biệt. Điều này chứng tỏ vật chất tối trong hai cụm thiên hà này khi đi xuyên qua nhau không bị va chạm mà chỉ di chuyển từ thiên hà này sang thiên hà kia. Trên thực tế, bên cạnh việc đưa ra khái niệm vật chất tối để giải thích các quan sát thiên văn, còn có một cách tiếp cận khác là hiệu chỉnh lại lý thuyết hấp dẫn nhằm giải thích các quan sát mà trong đó không cần đưa vật chất tối vào, mà ví dụ tiêu biểu cho cách này là phương pháp động lực học newton cải biến (Modified Newtonian Dynamics-MOND), đề xuất bởi M.Milgrom vào năm 1983, một lý thuyết phi tuyến [35]. Theo đó, MOND cho rằng, dưới một mức nhất định của gia tốc hấp dẫn a0 ' 2 × 10−10 m/s2 , thì lực hấp dẫn sẽ tỷ lệ với bình phương gia tốc chứ không còn tỷ lệ tuyến tính với gia tốc.
Phương pháp tuy có thể giải thích được nhiều quan sát mà không cần đưa thêm vật chất tối, nhưng lại tồn tại một số nhược điểm. Thứ nhất do bản thân MOND là một lý thuyết phi tương đối tính, muốn dùng được trong lý thuyết tương đối tính để miêu tả vũ trụ thì phải cần thêm các trường bổ trợ như trường vector hay một metric khác, và do đó làm tăng thêm đáng kể các tham số cho mô hình [36]. Thứ hai, các kiểm chứng từ thực nghiệm mà gần đây nhất là việc lần đầu phát hiện được tín hiệu của sóng hấp dẫn đã củng cố thêm tính chính xác của lý thuyết hấp dẫn của Einstein, việc sử dụng lý thuyết hấp dẫn được tuỳ biến chỉ để không đưa vật chất tối vào là không cần thiết. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tổng quan 1.2 Điều kiện cho vật chất tối Theo lý thuyết vụ nổ lớn BigBang, quá trình tổng hơp hạt nhân (bigbang- nucleosynthesis) là quá trình tổng hợp hạt nhân nhẹ từ proton, neutron khi nhiệt độ vũ trụ cỡ T ∼ 100 keV.
Proton và neutron kết hợp với nhau tạo nên deutrium 2H với hai đồng vị của Helium là 3He và 4He. Do 4He rất bền nên trong khoảng ba phút đầu tiên sau vụ nổ lớn, chúng chiếm khoảng 25% khối lượng của vũ trụ. Ngược lại, deutrium được sinh ra ngay lập tức tham gia các phản ứng khác tạo nên các nguyên tố khác nặng hơn. Các phân tích chính xác từ bức xạ vi ba phông nền vũ trụ (Cosmic Microwave Backgroud-CMB) cho thấy vật chất thông thường chỉ có đóng góp cỡ 4-5 % tổng vật chất trong vũ trụ [17].
Nếu vật chất tối có dạng baryonic,thì qua quá trình tổng hơp hạt nhân, vũ trụ có nhiều vật chất baryonic hơn, vượt quá con số 4-5 % của CMB [52], [47]. Do đó vật chất tối không thuộc dạng baryonic. Hệ quả của tính non-baryonic là chúng không mang màu, tức không tham gia tương tác mạnh. Vật chất tối dạng non-baryonic còn được chia thành ba loại: nóng (hot) , ấm (warm) và lạnh (cold).
Khái niệm "nóng, ấm, lạnh" thực tế không phản ánh nhiệt độ của vật chất tối mà thể hiện tính chất tương đối tính hay không tương đối tính của chúng, tức là vận tốc của vật chất tối v ∼ c (nóng), v < c (ấm) và v c (lạnh). Các phân tích sự tiến hoá của vũ trụ cho thấy vật chất tối ở dạng "lạnh", tức dạng phi tương đối tính tại thời điểm các thiên hà bắt đầu hình thành. Thêm nữa, chúng ta không có cách nào để quan sát, phát hiện được vật chất tối bằng bức xạ điện từ, nên chúng không có tương tác điện từ, tức chúng phải trung hoà điện tích. Vật chất tối có thể tham gia tương tác yếu, nhưng với cường độ phải rất nhỏ, nếu không chúng ta đã phát hiện ra chúng.
Như vậy, vật chất tối có tham gia tương tác hấp dẫn, nhưng không tham gia tương tác mạnh và tương tác điện từ, có tương tác yếu cực kỳ bé. Trong thời kỳ vũ trụ sớm vật chất tối cũng như toàn bộ các hạt khác tồn tại trong bể nhiệt và nằm trong trạng thái cân bằng nhiệt động. Trong bể nhiệt xảy ra đồng thời hai quá trình thuận nghịch: Hủy hạt hạt vật chất tối sinh ra hai hạt trong mô hình chuẩn và ngược lại hai hạt mô hình chuẩn tuy nhẹ hơn nhưng nằm trong bể nhiệt của vũ trụ nên sẽ có đủ năng lượng để tán xạ ngược 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tổng quan và sinh ra hai hạt vật chất tối. Khi vũ trụ mở rộng và nguội đi cho đến khi nhiệt độ vũ trụ cỡ khối lượng mDM quá trình hủy hạt vật chất tối sẽ dần chiếm ưu thế, vì năng lượng do có trong bể nhiệt sẽ giảm và hai hạt trong mô hình chuẩn khó tán xạ để sinh ra hạt vật chất tối trở lại.
Sau khi nhiệt độ vũ trụ nhỏ hơn khối lượng mDM , mật độ vật chất tối sẽ giảm rất nhanh theo hàm số mũ, do quá trình ngược bị chặn. Tuy nhiên, do vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở làm cho các hạt vật chất tối sẽ có ít cơ hội tương tác với nhau. Đến khi tốc độ hủy hai hạt vật chất tối cân bằng với tốc độ giãn nở của vũ trụ (Chính là tham số Hubble, nhiệt độ vũ trụ ở đây gọi là freeze-out), vật chất tối không hủy được nữa, trạng thái cân bằng nhiệt kết thúc.