nvdtdnguyen
 member

 ID 16506
 10/26/2006

Vũ trụ(2)
         
(to be continue)
---------------Mô tả lý thuyết----------------------
Dựa trên các phép đo về sự giãn nở của vũ trụ bằng siêu tân tinh loại I, các phép đo về sự trồi sụt của bức xạ phông vi sóng vũ trụ và các phép đo về hàm liên kết của các thiên hà, người ta xác định được tuổi của vũ trụ là 13.7 ± 0.2 tỷ năm. Kết quả giống nhau của ba phép đo độc lập này được coi là bằng chứng thuyết phục cho một mô hình gọi là mô hình Lambda-CDM mô tả chi tiết tính chất của vũ trụ.

Vũ trụ vào giai đoạn sớm là một vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng với mật độ năng lượng, nhiệt độ và áp suất cực cao. Sau đó đó vũ trụ nở ra, lạnh đi và trải qua một quá trình chuyển pha giống như sự ngưng tụ của hơi nước hoặc sự đóng băng của nước khi nhiệt độ giảm xuống, tất nhiên là không phải sự chuyển pha của phân tử nước mà là của các hạt cơ bản.

Khoảng 10-35 giây sau kỷ nguyên Planck, một loại chuyển pha làm cho vũ trụ trải qua giai đoạn phát triển theo hàm mũ được gọi là giai đoạn lạm phát vũ trụ. Sau khi quá trình lạm phát kết thúc, thành phần của vũ trụ gồm các plasma quark-gluon (gồm tất cả các hạt khác, một số thực nghiệm gần đây gợi ý có thể vũ trụ lúc đó là một loại chất lỏng quark-gluon). Các hạt này đều chuyển động tương đối. Khi vũ trụ tiếp tục gia tăng kích thước thì nhiệt độ tiếp tục giảm. Tại một nhiệt độ nhất định, một giai đoạn mà hiện nay người ta vẫn chưa biết hết về nó gọi là quá trình sinh hạt baryon, tại đó, các quark và gluon kết hợp với nhau để tạo nên các hạt baryon, như là proton và neutron, và bằng cách nào đó mà thể hiện tính phi đối xứng giữa vật chất và phản vật chất. Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ thì sẽ dẫn đến nhiều quá trình chuyển pha có tính đối xứng bị phá vỡ hơn và làm cho các lực vật lý và các hạt cơ bản tồn tại ở trạng thái như chúng ta thấy ngày nay. Sau đó, một số proton và neutron kết hợp với nhau để hình thành các hạt nhân nguyên tử deuterium và hêli, quá trình này gọi là sự tổng hợp hạt nhân vụ nổ lớn. Khi vũ trụ tiếp tục bị nguội đi, vật chất không còn chuyển động với vận tốc tương đối nữa và mật độ năng lượng do khối lượng nghỉ thể hiện dưới dạng hấp dẫn sẽ thống trị mật độ năng lượng thể hiện dưới dạng bức xạ. Khoảng 300.000 năm sau vụ nổ lớn, các điện tử và các hạt nhân kết hợp với nhau tạo nên các nguyên tử (phần lớn là hiđrô); do đó, bức xạ được tách khỏi vật chất và tiếp tục truyền trong không gian mà hầu như không bị cản trở. Dấu vết của bức xạ này tồn tại đến ngày nay chính là bức xạ phông vi sóng.

Theo thời gian, một số vùng có mật độ vật chất cao hơn sẽ hút nhau do lực hấp dẫn và càng làm cho các vùng đó đặc hơn nữa để hình thành nên các đám mây vật chất, các ngôi sao, các thiên hà và các cấu trúc vũ trụ mà chúng ta quan sát được ngày nay. Chi tiết của quá trình này phụ thuộc vào lượng và loại vật chất trong vũ trụ. Có ba loại vật chất được biết là vật chất tối lạnh, vật chất tối nóng và vật chất thường. Các phép đo thực nghiệm cho thấy rằng dạng vật chất tối lạnh thống trị vũ trụ, nó chiếm đến hơn 80% khối lượng, trong khi hai loại vật chất kia chỉ chiếm chưa đến 20% khối lượng.

Về mặt năng lượng thì vũ trụ hiện nay có vẻ như bị thống trị bởi một dạng năng lượng bí ẩn được gọi là năng lượng tối. Khoảng 70% mật độ năng lượng toàn phần của vũ trụ tồn tại ở dạng này. Sự có mặt của dạng năng lượng này được suy ra từ sự sai khác giữa sự giãn nở của vũ trụ và công thức liên hệ giữa tốc độ - khoảng cách làm cho không thời gian giãn nở nhanh hơn trông đợi tại các khoảng cách lớn. Năng lượng tối xuất hiện như là một hằng số vũ trụ trong các phương trình Einstein của lý thuyết tương đối rộng. Nhưng bản chất, các chi tiết về phương trình trạng thái, và mối liên hệ với mô hình chuẩn của vật lý hạt vẫn còn chưa sáng tỏ và cần được nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm.

Tất cả các quan sát đều được giải thích bằng mô hình Lambda-CDM, trong đó, mô hình toán học về vụ nổ lớn có sáu thông số tự do. Bí ẩn xuất hiện khi người ta quan sát gần điểm khởi đầu, khi mà năng lượng của các hạt lớn hơn năng lượng mà các thực nghiệm chưa đạt được. Hiện không có mô hình vật lý nào mô tả vũ trụ ở thời điểm trước 10-33 giây, trước thời điểm chuyển pha được gọi là lý thuyết thống nhất lớn. Tại thời khắc ngắn ngủi đầu tiên này, lý thuyết Einstein về hấp dẫn tiên đoán một điểm kỳ dị hấp dẫn, tại đó mật độ vật chất trở nên vô hạn. Để giải quyết nghịch lý vật lý này, người ta cần đến lý thuyết lượng tử hấp dẫn. Đó là một trong những vấn đề chưa giải quyết được trong vật lý.

-------------------Cơ sở lý thuyết---------------
Lý thuyết Vụ Nổ Lớn ngày nay dựa trên ba giả thuyết sau:

Tính phổ quát của các định luật vật lý
Nguyên lý vũ trụ học
Nguyên lý Copernic
Ban đầu, các giải thuyết trên chỉ được thừa nhận nhưng ngày nay có rất nhiều thực nghiệm kiểm tra tính đúng đắn của chúng. Tính phổ quát của các định luật vật lý được chứng minh là đúng đắn vì các sai số lớn nhất về hằng số cấu trúc tinh tế trong một khoảng thời gian bằng tuổi của vũ trụ chỉ cỡ khoảng 10-5. Tính dị hướng của vũ trụ xác định nguyên lý vũ trụ và được kiểm nghiệm với độ chính xác 10-5 và vũ trụ được xác định là đồng nhất trên quy mô lớn với độ sai số khoảng 10%. Hiện nay người ta vẫn đang trong quá trình kiểm tra nguyên lý Copernic bằng cách nghiên cứu tương tác giữa các đám thiên hà bằng CMB thông qua hiệu ứng Sunyaev-Zeldovich với độ chính xác 1%.

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn sử dụng giả thuyết Weyl để đo thời gian tại bất kỳ thời điểm nào sau kỷ nguyên Planck. Các phép đo này dựa trên các tọa độ quy chiếu trong đó khoảng cách quy chiếu và thời gian quy chiếu đã loại bỏ sự giãn nở của vũ trụ trên quan điểm của các phép đo không-thời gian. Khoảng cách quy chiếu và thời gian quy chiếu được định nghĩa sao cho các vật thể chuyển động trong các vũ trụ giãn nở khác nhau có cùng một khoảng cách và các chân trời hạt hay các giới hạn quan sát (của một vũ trụ nào đó) được xác định bởi thời gian quy chiếu.

Vì vũ trụ có thể được mô tả bởi các tọa độ như vậy, vụ nổ lớn không phải là một vụ nổ trong đó vật chất được phóng ra và lấp đầy một vũ trụ trống rỗng; cái đang giãn nở chính là không-thời gian. Đó chính là sự giãn nở làm cho khoảng cách vật lý giữa hai điểm cố định trong vũ trụ của chúng ta tăng lên. Các vật thể liên kết với nhau (ví dụ bị liên kết bởi lực hấp dẫn) thì không giãn nở cùng không-thời gian vì các định luật vật lý điều khiển chúng được giả thiết là đồng nhất và độc lập với các giãn nở metric. Hơn nữa, sự giãn nở của vũ trụ tại nấc thang cục bộ ngày nay quá nhỏ nên nếu có sự phụ thuộc nào của các định luật vật lý vào sự giãn nở thì sự phụ thuộc đó cũng rất nhỏ làm cho các máy đo không thể xác định được.

------------------Bằng chứng thực nghiệm------------------------
Nói chung, có ba bằng chứng chủ yếu ủng hộ lý thuyết vụ nổ lớn về nguồn gốc vũ trụ. Đó là định luật Hubble cho thấy sự giãn nở của vũ trụ dựa trên sự dịch chuyển đỏ của các thiên hà; việc tìm ra bức xạ phông vi sóng vũ trụ; và sự thống trị của các nguyên tố nhẹ. (Xem thêm tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn). Hơn nữa, các hàm liên kết của các cấu trúc tại các nấc thang vĩ mô của vũ trụ hoàn toàn trùng khớp với lý thuyết Vụ Nổ Lớn.

++++++++++Định luật Hubble về sự giãn nở của vũ trụ+++++++++++++++
Các quan sát về các thiên hà và các quasar xa xôi cho thấy rằng ánh sáng từ chúng phát ra bị dịch chuyển về phía các ánh sáng có bước sóng dài hơn (dịch chuyển đỏ) và sự dịch chuyển đó tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng. Sự dịch chuyển ánh sáng được rút ra từ phổ tần số của vật thể khi so sánh với các vạch phổ phát xạ hoặc hấp thụ của nguyên tử của các nguyên tố tương tác với bức xạ. Sự dịch chuyển đỏ này được giải thích bằng hiệu ứng Doppler đối với ánh sáng khi nguồn phát chuyển động ra xa nguồn thu. Sự dịch chuyển về phía bước sóng dài tỷ lệ với khoảng cách và hiện tượng này được biểu diễn bằng định luật Hubble như sau:

v = H0(*) D

trong đó v vận tốc rời xa, D khoảng cách và H0(*) hằng số Hubble có giá trị bằng 71 ± 4 km/giây/Mpc.

(*):số 0 ở dưới chữ H
+++++++++++++++++++ Bức xạ phông vũ trụ+++++++++++++++++
Lý thuyết vụ nổ lớn tiên đoán về sự tồn tại của bức xạ phông vi sóng vũ trụ được tạo thành từ các quang tử phát ra từ giai đoạn sinh hạt baryon. Vì vũ trụ thời kỳ sơ khai ở trạng thái cân bằng nhiệt động nên nhiệt độ của bức xạ và plasma bằng nhau cho đến khi plasma tái hợp. Trước khi nguyên tử được hình thành thì bức xạ bị hấp tụ và tái phát xạ đều trong một quá trình gọi là tán xạ Compton: vũ trụ vào giai đoạn sơ khai không trong suốt với ánh sáng. Tuy nhiên, quá trình nhiệt độ của vũ trụ bị giảm đi khi giãn nở làm cho nhiệt độ xuống thấp hơn 3000 K, tại nhiệt độ này thì điện tử và hạt nhân kếp hợp với nhau để tạo ra nguyên tử và các plasma nguyên thủy bị biến thành khí trung hòa. Quá trình này được gọi là quá trình giải phóng quang tử. Một vũ trụ chỉ gồm các nguyên tử trung hòa cho phép bức xạ truyền qua mà không bị cản trở nhiều.

Vì tại các giai đoạn sớm, vũ trụ ở trong trạng thái cân bằng nhiệt động nên bức xạ từ thời điểm này có phổ phân bố giống như phổ phát xạ của một vật đen được truyền một cách tự do cho đến ngày nay sẽ bị dịch chuyển đỏ theo định luật Hubble. Bức xạ đó phải được giống nhau theo mọi hướng trong không gian.

Năm 1964, Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ khi họ tiến hành nghiên cứu một máy thu tín hiệu vi sóng ở phòng thí nghiệm Bell. Khám phá của họ đã khẳng định tiên đoán về bức xạ phông vũ trụ, một bức xạ đẳng hướng và đồng nhất phân bố giống như phổ phát xạ của vật đen có nhiệt độ khoảng 3 K. Penzias và Wilson được trao giải Nobel về vật lý nhờ khám phá này.

Năm 1989, cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ NASA đã phóng vệ tinh thăm dò phông vũ trụ (COBE), các kết quả ban đầu quan sát được rất phù hợp với các tiên đoán của lý thuyết vụ nổ lớn liên quan đến bức xạ phông vũ trụ. COBE đã tìm thấy nhiệt độ dư là 2,726 K và xác định được rằng bức xạ đó là đẳng hướng với độ chính xác 10-5. Vào những năm 1990, tính dị hướng của bức xạ phông vũ trụ được nghiên cứu rất chi tiết bằng rất nhiều các thí nghiệm và kết quả là về mặt hình học, vũ trụ là phẳng (xem hình dáng của vũ trụ).

Vào đầu năm 2003 các kết quả từ vệ tinh dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) được phóng và đã thu được các giá trị chính xác nhất về các thông số vũ trụ. Vệ tinh này cũng loại bỏ một số mô hình lạm phát vũ trụ đặc biệt nhưng nhìn chung thì các kết quả phù hợp với lý thuyết lạm phát.





Ảnh chụp của WMAP về bức xạ phông vi sóng vũ trụ

+++++++++++++Sự phân bố và tiến hoá các thiên hà++++++++++++++++++
Các nghiên cứu thực nghiệm về hình dáng và phân bố của các thiên hà và các quasar đã cho những bằng chứng rất thuyết phục về vụ nổ lớn. Kết hợp các quan sát và tính toán lý thuyết gợi ý rằng các quasar và các thiên hà được hình thành khoảng một tỷ năm sau vụ nổ lớn, và từ đó các cấu trúc lớn hơn được hình thành như các nhóm thiên hà, đám thiên hà và siêu đám thiên hà. Các ngôi sao cũng già đi và tiến hóa, do đó, các thiên hà xa xôi (chúng ta thấy ở chúng ở giai đoạn sớm của vũ trụ) sẽ rất khác các thiên hà gần hơn (chúng ta sẽ thấy chúng ở giai đoạn muộn hơn). Hơn nữa, các thiên hà hình thành gần đây sẽ rất khác với các thiên hà cũng ở gần như thế nhưng hình thành tại các giai đoạn rất sớm sau vụ nổ lớn. Các quan sát này là các chứng cớ phủ nhận mô hình trạng thái dừng. Các quan sát về sự hình thành các ngôi sao, sự phân bố của các thiên hà và quasar, và các cấu trúc lớn hơn phù hợp rất tốt với mô hình lý thuyết về cấu trúc của vũ trụ và cho phép hoàn thiện các tính toán chi tiết.

Alert webmaster - Báo webmaster bài viết vi phạm nội quy
 

  Kí hiệu: : trang cá nhân :chủ để đã đăng  : gởi thư  : thay đổi bài  :ý kiến