Kiểm tra các nguyên tố của big bang

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

51
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'kiểm tra các nguyên tố của big bang', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kiểm tra các nguyên tố của big bang

KI M TRA CÁC NGUYÊN T C A BIG BANG Kenneth Nollett Phép o lư ng lithium trong vũ tr cùng v i d li u chính xác t b c x vi ba n n vũ tr ang thách th c s hi u bi t c a chúng ta v c n n thiên văn v t lí sao và có th chính c s t ng h p h t nhân Big Bang, như Kenneth Nollett s gi i thích sau ây. Nitrogen và oxygen mà chúng ta th , carbon c u thành nên khoa hóa sinh h c, và calcium trong xương c a chúng ta có chung m t c i m: chúng u ư c t ng h p bên trong các sao. Th t v y, i u tương t úng v i h u như m i nguyên t hóa h c mà chúng ta g p trong cu c s ng hàng ngày, t ch t khí hi m nh t cho n kim lo i n ng nh t. M t ngo i l l n là hydrogen: h u như t t c h t nhân hydrogen là proton phát sinh t Big Bang ch ng 14 t năm trư c ây. M t ngo i l khác là h t nhân nh như deuterium và lithium, chúng ư c t o ra trong m t quá trình g i là t ng h p h t nhân Big Bang x y ra khi vũ tr ch m i vài phút tu i. Th c t nh ng nguyên t này ã có t khi khai sinh ra th i gian ch c ch n là m t trong nh ng s th t h p d n nh t trong thiên văn v t lí h c. S t ng h p h t nhân Big Bang (BBN) b t u khi vũ tr l nh sao cho proton và neutron, ch m i v a hình thành t plasma nguyên th y, có th k t h p thành h t nhân deuterium. Deuterium sau ó tr i qua nh ng ph n ng h t nhân khác n a hình thành nên h t nhân helium-4, m i h t nhân ch a hai proton và hai neutron, cùng v i lư ng nh deuterium, helium-3 và lithium-7. Th t v y, lúc k t thúc BBN (m t th i kì ch ng vài phút), m t ph n tư v t ch t bình thư ng trong vũ tr ã chuy n hóa thành helium-4, còn trong s còn l i ch có m t ph n r t nh là hydrogen. S t ng h p h t nhân Big Bang x y ra như th nào ? S t ng h p h t nhân Big Bang (BBN) là thành ph n ch y u c a mô hình Big Bang gi i thích cách th c h t nhân nh deuterium, helium-3, helium-4, và lithium-7 ư c t o ra trong vài phút u tiên c a vũ tr . Thuy t Big Bang phát bi u r ng vũ tr b t u t kho ng 13,7 t năm trư c ây trong m t tr ng thái r t nóng và m c ã và ang giãn n ra và l nh i k t ó. Như thuy t tương i r ng Einstein mô t , t c giãn n ph thu c vào lư ng kh i lư ng và năng lư ng mà vũ tr có. Trư c khi BBN x y ra – khi vũ tr chưa t i m t giây tu i – v t ch t và năng lư ng t n t i dư i d ng m t ch t khí nóng, m c c a các h t cơ b n. Khi vũ tr l nh i, các h t có năng lư ng gi m d n phân b trong vũ tr sao cho lúc 1 giây ch có proton, neutron và nh ng h t nh b n có m t. Tương tác y u © hiepkhachquay 1
gi a c proton và neutron v i electron, positron, và neutrino nh hơn nhi u, duy trì tr ng thái cân b ng nhi t, n nh s lư ng tương i c a proton và neutron m t giá tr nh t nh. Sau ó, nhi t c a ch t khí gi m xu ng còn kho ng 8 x 109 K, vì th ngăn c n tương tác y u x y ra ti p t c. T ó còn l i m t neutron (n) i v i m i 6 proton (t c là h t nhân hydrogen 1H). lúc này tr i, Trong vài phút ti p theo, h t nhân hình thành. H t nhân deuterium (2H) t o ra b i s va ch m gi a proton v i neutron, và nh ng va ch m h t nhân khác n a d n n m i neutron tóm l y m t proton hình thành nên lo i liên k t ch t ch nh t c a h t nhân nh : 4He. Quá trình này hoàn thành sau kho ng 5 phút, khi vũ tr tr nên quá l nh cho nh ng ph n ng h t nhân ti p t c x y ra. Lư ng r t nh deuterium, helium-3, và beryllium-7 ư c t o ra dư i d ng s n ph m, v i beryllium-7 tr i qua phân rã beta hình thành nên lithium-7. H u như t t c proton không h p nh t vào h t nhân helium-4 còn l i dư i d ng các h t t do, và ây là lí do t i sao vũ tr có g n 25% helium và 75% hydrogen kh i lư ng m i nơi mà chúng ta th y. H t nhân khác ít d i dào hơn n vài b c l n. B ng cách o cư ng v ch ph nguyên t nh ng i tư ng thiên văn v t lí, các nhà thiên văn có th suy lu n ra s h t nhân thu c m t lo i cho trư c trên h t nhân hydrogen. S d i dào h t nhân này t o ra trong BBN ph thu c vào m t v t ch t (ho c m t baryon) trong vài ba phút u tiên ó, có th liên quan tr c ti p v i m t baryon mà chúng ta th y ngày nay. B t kì hi u ng nào làm bi n i s ti n hóa nhi t ban u c a vũ tr ho c tương tác gi a các h t nhân cũng s l id uv t trong s phong phú ó, nghĩa là BBN mang l i m t s kh o sát quan tr ng c a vũ tr sơ khai. N u chúng ta gi s r ng ch có nh ng h t có trong Mô hình Chu n c a v t lí h t là có m t trong BBN, thì m t baryon o ư c trong s m nh WMAP c a NASA (và ư c ch ng th c b i s dư d t deuterium) xác nh thành ph n hóa h c ban u c a vũ tr ch y u là hydrogen, v i g n 0,08 nguyên t helium-4, 10-5 nguyên t deuterium, 10-5 nguyên t helium-3 và 10-10 nguyên t lithium / nguyên t hydrogen, nhưng không có lư ng nào khác có th phát hi n ư c. T t c nh ng nguyên t khác trong vũ tr ư c t ng h p mu n hơn nhi u bên trong các sao ho c trong s va ch m tia vũ tr . Vì lư ng h t nhân ư c t o ra này ph thu c vào nhi t và m t c a vũ tr khi nó ch vài phút tu i, nên chúng ta có th nghiên c u s ti n hóa vũ tr sơ khai b ng cách o s d i dào v t ch t c a nó ngày nay. c bi t, mô hình BBN mang l i m t s ư c tính m t baryon trung bình c a vũ tr , ó là m t thông s cơ b n trong vũ tr h c. Chúng ta bi t t phép o chuy n ng c a các thiên hà r ng m t kh i lư ng t ng c ng c a vũ tr g p 6 l n m t baryon mà BBN suy © hiepkhachquay 2
ra, rõ ràng cho th y a s v t ch t trong vũ tr không c u thành t v t ch t baryon tính bình thư ng ch a proton và neutron mà t m t cái gì ó bí n hơn g i là v t ch t t i. S không phù h p như th gi a BBN và thí nghi m cũng có th g i ý nh ng quá trình v t lí m i có kh năng ho t ng trong lúc t ng h p h t nhân. Ví d , n u như nh ng h t cơ b n chưa bao gi nhìn th y trong phòng thí nghi m có m t trong vũ tr sơ khai, thì nh hư ng c a chúng có th th y rõ trong s phong phú nguyên t mà chúng ta th y ngày nay. Vì nh ng lí do này, BBN c n thi t cho nghiên c u c u trúc t ng th c a vũ tr , l ch s c a v t ch t k t th i Big Bang, và m i quan h g n gũi gi a v t lí h t và vũ tr h c. B t ch p thành công c a nó trong vi c xác nh m t baryon c a vũ tr và trong vi c gi i thích d i dào l n c a helium mà chúng ta quan sát th y, BBN v n ph i i m t v i nh ng thách th c l n. Nh ng phép o m i ây v b c x vi ba n n vũ tr , b c x cho th y b m t vũ tr khi các nguyên t hình thành kho ng 380.000 năm sau Big Bang, và v s phân b quy mô l n c a các thiên hà ã làm tăng thêm nhi u chính xác c a d li u vũ tr h c. Trư c nay, hình như s phong phú nguyên th y quan sát th y – nh t là s phong phú c a helium – không ăn kh p l m v i lí thuy t BBN. M c tiêu bây gi là mang BBN vào ăn kh p v i chính xác m i c a vũ tr h c, và c i thi n s hi u bi t c a chúng ta v môi trư ng thiên văn v t lí trong ó s phong phú nguyên th y quan sát ư c. Lùi l i th i gian Phiên b n u tiên c a lí thuy t BBN ư c xu t b i George Gamow và Ralph Alpher vào th p niên 1940 trong m t n l c nh m gi i thích ngu n g c c a m i nguyên t hóa h c. H gi s r ng vũ tr sơ khai r t nóng và y h t neutron: h t nhân sau ó hình thành b ng cách b t m i l n m t neutron, h t nhân th nh tho ng ch u s phân rã beta t o ra h t nhân có s nguyên t cao hơn c ng v i m t electron và m t neutrino. Vì xác su t c a nhi u ph n ng trong s này không ư c bi t rõ vào th i ó – m t s trong ó còn ư c gi bí m t do có liên quan t i nghiên c u vũ khí nguyên t - nên Gamov và Alpher ph i d oán nhi u ti t di n c a chúng. Tuy nhiên, trong lúc làm như v y, b ôi nghiên c u ã th c hi n gi s c c kì l c quan r ng m t s quá trình, khi ó chưa bi t rõ, s có xác su t cao t o ra h t nhân l n hơn helium- 4 – b t ch p th c t là không có h t nhân b n v ng nào có s kh i b ng 5 t n t i. Tính toán c a Gamov và Alpher phù h p t t George Gamow (trên) và Ralph Alpher ban u nghĩ r ng t t c v i xu hư ng quan sát th y trong h M t Tr i, nguyên t hóa h c ư c t o ra trong trong ó s phong phú h t nhân gi m như m t hàm s t ng h p h t nhân Big Bang. c a kh i lư ng nguyên t . Hơn n a, Alpher và các © hiepkhachquay 3
ng s còn d oán s t n t i và nhi t c a b c x vi ba n n vũ tr khi nh n th y m t ch t khí photon nóng s có m t trong BBN. Nh ng photon ó, các nhà nghiên c u bàn cãi nghiêm túc, s tr i ra b i s giãn n c a không gian vào vùng vi sóng c a ph i n t ngày nay. Phiên b n ban u này c a BBN h u như bao g m a s khía c nh c a lí thuy t BBN hi n i, ví d như vai trò c a tương tác y u và s clpcas phong phú h t nhân so v i m t baryon. Tuy nhiên, là m t mô hình gi i thích ngu n g c c a m i nguyên t , nên nó i n k t thúc vào u th p niên 1950 khi các nhà nghiên c u nh n ra r ng m t phiên b n hoàn toàn ăn kh p c a lí thuy t này bu c ph i s n sinh ra nhi u helium-4 ch không ph i nhi u th khác. Sau ó, năm 1957, nó b chôn vùi mãi mãi, khi Alastair Cameron và Fred Hoyle, cùng v i nhi u ngư i khác, ch ra r ng h u như t t c các nguyên t hóa h c, trong th c t , ư c t ng h p bên trong các sao. Tuy nhiên, năm 1964, Hoyle và Roger Tayler ch ra r ng BBN mang l i m t l i gi i thích ơn gi n hơn cho s phong phú to l n quan sát th y c a helium-4 so v i l i gi i thích sao c a Cameron và Hoyle, vì cách gi i thích th hai trên yêu c u s t n t i m t s lư ng kh ng l sao ngày nay ã t t. Khi b c x vi ba n n vũ tr ư c khám phá ra m t năm sau ó, thì l p t c rõ ràng là mô hình Big Bang là chính xác và BBN do ó ph i x y ra trong i u ki n nóng b ng c a vài ba phút u tiên. Jim Peebles, thu c trư ng i h c Princeton Mĩ, tr l i khám phá này b ng vi c ti n hành tính toán “hi n i” u tiên c a BBN b ng cách s d ng t c ph n ng h t nhân khi ó ư c hi u rõ hơn so v i th i c a Gamov. M c dù ki n th c c a chúng ta v nh ng t c này ã ư c c i thi n thêm m t l n n a k t y, nhưng s hi u bi t cơ b n c a chúng ta v BBN v n tương t . S c m nh c a BBN là m t cánh c a s m vào vũ tr sơ khai ư c nh n ra trong th p niên 1970. Lúc ó, m t vài nhà thiên văn v t lí, g m Hubert Reeves t i Vi n Thiên văn v t lí Paris, và Johannes Geiss, nay làm vi c t i Vi n Khoa h c Không gian qu c t Bern, nh n th y r ng vì lư ng deuterium sinh ra trong BBN ph thu c m nh vào m t baryon trung bình c a vũ tr , nên chúng ta có th tìm hi u ôi i u v vũ tr quy mô l n nh t b ng cách o lư ng deuterium d dàng th c hi n ư c. Trong vài năm, m t s phép o lư ng deuterium trong thiên hà c a chúng ta ã thi t t m t gi i h n trên lên m t baryon là kho ng ch ng –31 –3 4 × 10 g cm . Sau ó, năm 1977, Gary Steigman, nay trư ng i h c bang Ohio, James Gunn, nay trư ng i h c Princeton, và sau ó là David Schramm thu c trư ng i h c Chicago, ã ch ra r ng BBN có th bu c m t s lo i neutrino khác nhau t n t i trong t nhiên (ngày nay chúng ta bi t là có ba lo i neutrino: neutrino electron, muon và tau). M i lo i neutrino phát sinh, h tranh lu n, s làm tăng m t c a vũ tr sơ khai và làm cho nó giãn n nhanh hơn, do ó làm thay i ng l c h c thi t t t s neutron trên proton vào lúc b t u c a BBN ng h nhi u neutron hơn. i l i, vi c này s ưa n nhi u helium-4 hơn. Vào lúc mà nh ng phép o trong phòng thí nghi m xu t r ng có th có hàng ngàn lo i neutrino (m c dù a s nhà v t lí h t không tin r ng có nhi u h t này như v y), Steigman và các c ng s có th kh ng nh r ng không có hơn b n lo i neutrino. ây là thành công cơ b n cho lí thuy t BBN và góp ph n làm tăng thêm nh n th c v m i quan h g n gũi gi a v t © hiepkhachquay 4
lí h t và vũ tr h c – th m chí nhi u nhà v t lí h t xem nó ơn thu n là b ng ch ng cho s c gan c a các nhà vũ tr h c ! Năm 1982, các nhà thiên văn v t lí h c thu ư c nh ng ư c tính t t v s phong phú helium-4 nguyên th y, cũng như gi i h n v s phong phú c a helium-3 và deuterium. Khi ó, François và Monique Spite, t i ài quan sát Paris, phát hi n th y nh ng ngôi sao già nh t nh trong thiên hà c a chúng ta có l p bao i lưu r t m ng – vùng quay tròn nhanh chóng c a m t ngôi sao trong ó v t ch t tr n u v i nhau – u ch a h u như cùng lư ng lithium-7. Vì nh ng phép o quang ph h c cho th y nh ng ngôi sao trong “tr ng thái bình n Spite” này ch ch a m t lư ng r t nh h t nhân t ng h p trong nh ng ngôi sao t n t i trư c ó, nên nh ng ngôi sao ó ph i hình thành bên ngoài ch t khí không hoàn toàn nguyên th y. i u này có nghĩa là s lư ng lithium-7 trong các sao tr ng thái bình n Spite có th hi u là s lư ng lithium-7 t ng h p trong BBN. ki m tra xem s t ng h p h t nhân Big Bang (BBN) có là s mô t chính xác c a vũ tr sơ khai hay không, chúng ta c n ph i o xem có bao nhiêu nguyên t ó có m t trong m u mà chúng ta có th quan sát th y ngày nay. Các nhà thiên văn xác nh s phong phú tương i c a các nguyên t trong m t v t th xa b ng cách quan sát lư ng ánh sáng phát x ho c h p th m t bư c sóng nh t nh tương ng v i các v ch ph nguyên t . làm như v y, c n ph i tìm c m t v trí trong ó thành ph n ch t khí không thay i nhi u k t BBN và nơi trong ó nh ng i u ki n v t lí thích h p cho s hình thành nh ng v ch ph có th quan sát ư c. i u ki n th hai này, k t h p v i tính ch t v t lí nguyên t khác i cùng v i t ng nguyên t , có nghĩa là không th có hai s phong phú nguyên th y có th o ư c m t cách chính xác b ng cùng m t v t th . Ví d , helium ư c o b ng cách tìm ki m ánh sáng phát ra t “nh ng thiên hà r n ch c màu xanh” nh và không u, còn lư ng lithium thì ư c suy ra t nh ng v t th r t già trong thiên hà c a chúng ta g i là các sao “tr ng thái bình n Spite”, chúng hình thành t ch t khí không hoàn toàn nguyên th y. M t khác, lư ng deuterium ư c xác nh b ng cách kh o sát xem ánh sáng phát ra t nh ng quasar xa b h p th như th nào b i nh ng ám mây khu ch tán trong hư ng nhìn c a chúng ta. Nh ng phép o s phong phú nguyên t nh ti p t c thu ư c ti n b , và baryon trung bình là 2 × 10–31 g cm–3, t c là năm 2000 chúng ng ý m t m t gi m i ba l n. M t khác, ây là trư ng h p áng chú ý c a d li u g m nhi u lo i khác nhau và khó thu ư c u h i t v m t s giá tr . M t khác, các v ch sai s chính th c ph n ánh nh ng ngu n không xác nh ã bi t tr nên nh n n i các i m d li u không còn ăn kh p v i nhau v m t kĩ thu t. Trong khi th t d hình © hiepkhachquay 5
dung nh ng sai s h th ng khác có th mang các k t qu l i g n nhau hơn, do kĩ thu t quan sát ho c do nh hư ng có liên quan t i l ch s v t ch t ang ư c quan sát, nên vi c nh lư ng chúng khó khăn hơn nhi u. Phép o deuterium trong vùng t p trung ch t khí xa n m gi a chúng ta và các quasar còn xa hơn n a nghiêng v m t m t baryon trung bình kho ng –31 –3 4 × 10 g cm , trong khi cách hi u ơn gi n nh t c a tr ng thái bình n lithium và m t s d li u helium-4 nghiêng v giá tr 1 × 10–31 g cm–3. Như i v i s phong phú nguyên th y c a helium-3, l ch s h u BBN c a nh ng h t nhân này quá b t nh có th ki m ch m t baryon trung bình. S không phù h p này thúc y m t chương trình nghiên c u sôi n i b i vài nhóm trong m t n l c nh m c i thi n các phép o và gi i quy t nh ng b t ng còn l i. Tuy nhiên, trong th i gian th c, d li u vũ tr h c chính xác b t u khi n BBN ch y ua tìm ngu n tài chính c a nó. Ánh sáng cơ b n u th p niên 2000, gi a cu c tranh lu n thư ng xuyên ư c hâm nóng v nguyên nhân gây ra nh ng s o s phong phú khác nhau, BBN không còn là phương pháp duy nh t xác nh m t baryon trung bình c a vũ tr . Năm 1992, v tinh COBE cho th y nhi t c a b c x vi ba n n vũ tr bi n thiên vài ch c microkelvin quy mô góc 5o ho c l n hơn, do ó mang l i b ng ch ng cho s dao ng m t trong vũ tr sơ khai có th gieo m m cho c u trúc vũ tr . Sau ó, vào năm 2000, thí nghi m BOOMERANG và MAXIMA phát hi n các dao ng quy mô góc nh hơn 1o. Là m t tiên oán ch y u c a lí thuy t Big Bang, nh ng dao ng này là v t tích còn l i b i sóng âm truy n qua plasma ch ngay trư c khi nh ng nguyên t hydrogen trung hòa u tiên ư c hình thành, kho ng 380.000 năm sau Big Bang khi n n vi ba vũ tr ra i. Và vì tính ch t c a plasma ph thu c vào m t baryon, nên cư ng c a nh ng dao ng này mang l i s ki m tra chéo c l p m nh m u tiên c a m t baryon mà BBN tiên oán. Nh ng k t qu BOOMERANG và MAXIMA ban u nghiêng v m t m t baryon cao hơn giá tr BBN: (6.0 ± 2.0) × 10–31 g cm–3. Tuy nhiên, k t h p v i d li u g n ây hơn t Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) – thi t b quy mô xu ng t i 0,3o – giá tr chính xác nh t hi n o nh ng dao ng nhi t nay là (4.1 ± 0.1) × 10–31 g cm–3. Trong khi phép o c l p này làm l ng i cu c tranh lu n ang di n ra trong c ng ng BBN v giá tr c a m t baryon, thì nó l i mang k t qu c a sai s h th ng trong BBN vào tiêu i m s c nét hơn n a. Ví d , m t baryon suy lu n ra t s li u WMAP và t nh ng phép o s phong phú deuterium nguyên th y r t phù h p v i nhau. Nhưng s phong phú deuterium nguyên th y trư c nay ch ư c o tám v trí, và m c dù k t qu u –5 xoay quanh giá tr 3 × 10 / nguyên t hydrogen, nhưng phân tán c a chúng xung quanh giá tr trung bình r ng hơn so v i nh ng ư c tính sai s c a chúng mong i. M t s dao ng theo v trí như th không ph i là cái mà ngư i ta mong i t BBN, nó ph i x y ra theo cùng cách th c m i nơi theo lí thuy t Big Bang. Chúng ta có kh năng c n nhi u d li u hơn s b t ng không áng k này, nhưng chuy n này nói thì d hơn làm b i vì phương pháp duy nh t nh n d ng và o s phong phú deuterium nguyên th y tiêu t n r t nhi u th i gian quan sát nh ng kính thiên văn l n nh t c a th gi i. © hiepkhachquay 6
Mô hình t ng h p h t nhân Big Bang cho phép m t baryon toàn ph n c a vũ tr tính ư c cho t ng nguyên t nh : deuterium, helium-3, helium-4, và lithium-7 ( ư ng màu xanh). B ng cách o s phong phú này ngày nay (trong khung màu ), các nhà thiên văn có th nghiên c u nh ng s ki n x y ra khi vũ tr ch vài phút tu i. T th p niên 1990, s phong phú helium-4 do các nhóm c l p o ư c không phù h p v i nhau (trên cùng), có kh năng cho th y sai s trong nh ng phép o này là không úng m c ( ư ng t nét). S phong phú deuterium o ư c tám v trí khác nhau cũng không phù h p v i m t s vùng ( chính gi a), còn nh ng phép o s phong phú helium-3 nguyên th y quá khó ki m ch m t baryon. S phong phú lithium o ư c ưa n mt baryon mâu thu n v i s xác nh c l p thu ư c t d li u WMAP (d i th ng ng), m c dù s chênh l ch có th tăng do m t s quá trình thiên văn v t lí chưa bi t rõ. Có s không nh t quán tương t gi a lí thuy t BBN và s phong phú helium nguyên th y. Không gi ng như s phong phú deuterium, lư ng helium-4 sinh ra trong mô hình BBN tăng r t ch m theo m t hàm c a m t baryon trung bình c a vũ tr , nghĩa là nó ph i ư c o v i chính xác vài ph n trăm có ích cho nghiên c u BBN. làm như v y, các nhà thiên văn nghiên c u sáng c a nh ng v ch ph nh t nh phát ra b i các nguyên t trong plasma trong m t thiên hà xa, t ó h có th nh n ư c m t b thông s phù h p c trưng cho plasma. Các nhóm nghiên c u khác có xu hư ng s d ng các b v ch hơi khác xác nh nh ng © hiepkhachquay 7
thông s này và h nghiên c u d li u theo nh ng cách khác nhau. Có ph n hơi b i r i, các nhóm nghiên c u khác nhau ã thu ư c nh ng k t qu mâu thu n nhau. Vào th p niên 1990, s khác bi t l n nh t gi a k t qu c a Yuri Izotov Vi n Khoa h c Ukraine và Trinh Thuan trư ng i h c Virginia, Mĩ (ô l n hơn, phía bên ph i, trong hình trên) và m t b d li u l n hơn do Steigman cùng v i Keith Olive và Evan Skillman trư ng i h c Minnesote biên so n d a trên nh ng quan sát s m hơn (h p phía bên trái). Tuy nhiên, hình như là sai s c a c hai cách ti p c n u không úng m c và s không nh t quán n m âu ó trong m t danh sách hi u ch nh nh như có bao nhiêu ánh sáng b tán x b i b i gi a chúng ta và plasma. Do ó, ph m vi cho phép c a s phong phú helium-4 có kh năng m r ng k t qu c a c hai nhóm nghiên c u (h p ch m ch m trong hình trên). M t l n n a, yêu c u có nh ng quan sát chính xác hơn, ho c chúng ta c n có m t s thay i cơ b n phương pháp tìm gi i pháp mà v i nó m i ngư i có th ng ý. Mt baryon trung bình c a vũ tr có th suy ra t nh ng dao ng nhi t trong n n vi ba vũ tr như ã o ư c g n ây b i s m nh WMAP. Ngày nay, bí n l n nh t c a BBN là lithium. ivimt baryon do –10 WMAP mang l i, BBN tiên oán có 4.7 × 10 nguyên t lithium-7 trên m i nguyên t hydrogen, còn các sao tr ng thái bình n Spite ch ch a kho ng –10 1.4 × 10 . M t s cách gi i thích cho s không th ng nh t này ã ư c xu t, nhưng không ai bi t câu tr l i úng. Ho c là m t s quá trình v t lí quan tr ng còn thi u trong lí thuy t BBN, ho c là m t s cơ ch thiên văn v t lí ã phá h y lư ng l n lithium-7 sau BBN, ho c là có m t cái gì ó sai l m i v i cách hi u c a chúng ta v quang ph sao. Vn lithium gi i quy t s không kh p lithium, m t s nhà v t lí hư ng s chú ý c a h sang nh ng mô hình BBN sáp nh p nh ng ý tư ng kì l t v t lí h t. Nhi u lí thuy t tìm cách th ng nh t các l c cơ b n trong t nhiên – ph bi n nh t là d a trên siêu i x ng ho c trên nh ng mô hình có chi u không-th i gian thêm vào – tiên oán s t n t i c a nh ng h t n ng n nay chưa ư c nhìn th y trong phòng thí nghi m. N u như nh ng h t này không b n và b phân rã trong vòng 1 năm sau BBN, chúng có th t o ra nh ng nh hư ng l n lên s phong phú h t nhân b ng cách cung c p neutron, proton và năng lư ng cho m t chu trình t ng h p h t nhân th hai liên quan t i nh ng tương tác khác năng lư ng cao hơn nhi u. © hiepkhachquay 8
Trong m t ví d , h i năm ngoái, Jonathan Feng t i trư ng i h c California Irvine và các c ng s ã xu t m t mô hình như th , nh ó các h t siêu i x ng “bình thư ng” như neutralino (ngư i anh em siêu i x ng c a các h t mang l c như photon và boson Z) phân rã hình thành nên các h t g i là siêu WIMP, chúng có th c u thành nên v t ch t t i ngày nay. Nhưng nhi u dao ng cũng có kh năng lâu như các s n ph m phân rã, g m proton, neutron và photon. Các h t năng lư ng tính t o ra trong nh ng phân h y h t n ng tương tác v i h t nhân BBN hình thành trư c ó hàng tháng. Theo cách này, nh ng h t có kh i lư ng và tính ch t phân rã thích h p có th phân h y hai ph n ba beryllium-7 t o ra t c th i trong BBN, và vì h t nhân beryllium-7 phân h y sau BBN hình thành nên lithium-7 nguyên th y, nên xu t c a Feng có th mang l i m t gi i pháp rõ ràng cho s thâm h t lithium. Ni m hi v ng dư i nh ng mô hình v t lí h t kì l như th là v n lithium có th cung c p manh m i u tiên c a m t s n n v t lí cơ b n m i. Nghiên c u BBN khi ó có th d n d t các thí nghi m máy gia t c như t i Máy Va ch m Hadron L n s p khai trương phòng thí nghi m v t lí h t CERN. Th t áng ti c, BBN không cung c p thông tin ti n hành vi c này d t khoát, ch không ph i v ch ra xem cái gì là có th và không th . Th t v y, a s các nhà nghiên c u trong lĩnh v c s phong phú nguyên t nh s có kh năng nghiêng v nh ng gi i pháp tr n t c hơn cho v n lithium, cho dù là nh ng gi i pháp như th kém h p d n hơn i v i các nhà v t lí h t. Câu tr l i t các nhà thiên văn v t lí M t kh năng khác là i u ch nh mô hình nhi t c a b u khí quy n c a m t ngôi sao thư ng ư c suy ra thành ph n c a nó t nh ng quan sát. Ví d , năm 2004, Jorge Meléndez, nay trư ng i h c qu c gia Australia, và Iván Ramírez thu c trư ng i h c Texas, kh ng nh r ng các mô hình dành cho sao tr ng thái bình n Spite ph thu c vào nh ng ư c tính nghèo nàn c a nhi t b m t sao, và xu t m t “thay i t l ” kh t khe c a nh ng ư c tính này, chuy n phép o lithium hư ng v phù h p v i d li u WMAP. Tuy nhiên, xu t này g p ph i nhi u hoài nghi t phía các ng nghi p, ch y u do th t c thay i t l d n n nhi t không ăn kh p v i nh ng phép o khác, ví d như cư ng c a v ch phát x hydrogen. Trong b t kì trư ng h p nào, s thay i t l có th t t nh t ch là m t gi i pháp b ph n cho bài toán lithium, vì nó ch làm tăng s phong phú lithium lên 1,4 l n – không ph i lên ba l n như yêu c u. Có l l i gi i thích có kh năng nh t cho s thi u h t bi u ki n c a lithium là các sao mà chúng ta quan sát ã phân h y d n d n lithium c a chúng trong 10 t năm ho c hơn n a k t khi chúng hình thành. Các nhà thiên văn ch có th quan sát ph n bên ngoài c a ngôi sao – t c là ph n trên cùng c a l p i lưu. Tuy nhiên, b t trên kho ng 2.5 × 106 K u nhanh kì lithium nào trong ngôi sao ch u nhi t chóng b phân h y b i ph n ng h t nhân 7Li + H → 24He. Do ó, lithium ch có th b o toàn hoàn toàn trong l p i lưu n u như toàn b l p ó quá l nh không t cháy nó ư c, và n u như lithium không ư c tr n u gi a l p b m t và nh ng l p nóng hơn, sâu hơn c a ngôi sao. M c dù các sao bình n Spite ư c ch n th a mãn nh ng i u ki n này, nhưng có th có nh ng quá trình không mong i x y ra bên trong chúng. © hiepkhachquay 9
Nhưng làm sao lithium trên m t sao có th tr n l n t vùng trên m t vào ph n bên trong sao ? M t vài cơ ch ã bi t có th có kh năng tr n các ph n i lưu và không i lưu c a ngôi sao, nhưng th t khó mà tính ư c t c c a nh ng quá trình này t nh ng nguyên lí u tiên. Ràng bu c nghiêm ng t nh t lên mô hình tr n l n là nó ph i duy trì c m dày c các sao bình n quan sát th y có cùng phong phú lithium-7 trung bình. o lư ng lithium t o ra trong quá trình t ng h p h t nhân Big Bang (BBN), các nhà nghiên c u nhìn vào nh ng ngôi sao r t già, nguyên th y v phương di n hóa h c, hình thành t ám khí h u như nguyên th y. Tuy nhiên, lư ng lithium trong các sao “bình n Spite” này (màu xanh) nh hơn nhi u so v i suy lu n t vi c k t h p BBN v i phép o n n vi ba vũ tr th c hi n b ng WMAP (d i màu vàng). S không ăn kh p này ã thúc y m t s nhà nghiên c u t ra nghi v n li u s hi u bi t c a chúng ta v n n thiên văn v t lí sao có th nào là không úng không. Ví d , m t xu t ngh r ng m t s lithium-7 ã b phân h y do quá trình tr n l n ho c khu ch tán. Các sao bình n Spite ó có nhi t b m t t 5700 n 6400 K có phong phú lithium u nhau vì l p i lưu nông c n c a nh ng ngôi sao m áp này không xuyên sâu n nơi nhi t vư t quá cho lithium-7 phân h y (Tphânh y = 2.5 × 106 K). L p v c a nh ng ngôi sao l nh hơn (các i m d li u n m v bên trái c a th ) không tr i ra sâu như th , nên b m t c a chúng m t lithium cho ph n ng h t nhân. N u nh ng ngôi sao m áp ó t t lưu chuy n lithium t l p i lưu n nh ng nơi sâu T > Tphânh y, thì b m t c a chúng cũng có th d n d n m t lithium. © hiepkhachquay 10
Trong lo t bài báo công b t năm 2002 n 2004, Olivier Richard và các c ng tác viên t i trư ng i h c Montreal Canada ã xu t m t mô hình tr n l n như th thu ư c s ng h b ng quan sát. Nó cho r ng m i h t nhân n ng hơn hydrogen u di chuy n r t ch m ra kh i l p i lưu dư i tác d ng h p d n. c bi t, mô hình th c hi n nh ng tiên oán nh t nh cho s l ng xu ng khi ngôi sao ti n hóa, nó cho th y s dao ng thành ph n c a b m t là m t hàm c a kh i lư ng trong nh ng ngôi sao hình thành cùng lúc. Mùa xuân năm 2006, Andreas Korn thu c trư ng i h c Uppsala, Th y i n, và các ng s ã s d ng Kính Thiên văn R t l n (VLT) c a ài quan sát nam châu Âu Chilê nghiên c u 18 sao nguyên th y v phương di n hóa h c trong m t c m thiên hà xa tên là NGC 6397 ư c bi t là có cùng tu i và thành ph n ban u. T ó, các nhà nghiên c u ch ra r ng s phong phú s t và lithium trong nh ng ngôi sao này u thay i theo kh i lư ng sao như mô hình c a Richard tiên oán. Th t ra, mô hình ó cho th y r ng nh ng ngôi sao ó b t u v i s phong phú lithium phù h p v i d li u WMAP. S ch ng th c c a nh ng k t qu này là c n thi t, b i vì n u như k t qu ó tr v ng v i s kh o sát d a trên quy mô d li u r ng, thì chúng ta ã gi i ư c bài toán lithium. Tìm ki m lithium-6 M t phương pháp khác xác nh lư ng lithium-7 phân h y trong các sao là quan sát ng v khác, kém b n hơn, c a nguyên t ó: lithium-6. Lithium-6 không ư c ưa vào s lư ng có th phát hi n th y b i BBN, mà thay vì v y l i có ngu n g c t s va ch m gi a các h t nhân trong tia vũ tr và trong ch t khí gi a các sao. Vì lithium-6 còn d phân h y hơn c lithium-7, nên vi c phát hi n nó cho phép chúng ta thi t t gi i h n lên s phân h y c a lithium-7. Năm 2006, Martin Asplund và các c ng s ài quan sát Mount Stromlo, Australia, ã ti n hành nh ng quan sát lithium-6 tr i r ng ra xa trong nh ng ngôi sao bình n b ng VLT. Trong m i m t trong s 9 ngôi sao mà h tìm th y lithium-6 trong ó, có g n 5% lithium thu c lo i ng v này – giá tr ó l n hơn mong i, m c dù nó n m gi i h n c a cái có th phát hi n c a thi t b ó. K t qu này có nh hư ng to l n không ch i v i BBN mà còn i v i l ch s tia vũ tr trong thiên hà và i v i n n thiên văn v t lí sao. Ví d , s s n sinh s lư ng l n lithium- 6 như th ph i òi h i m t dòng tia vũ tr kh ng l ban u trong l ch s c a thiên hà c a chúng ta, có th còn l n hơn c do cơ ch gia t c ã bi t mang l i. Hơn n a, n u như các sao bình n th t s phân h y lithium-7, mang tiên oán c a WMAP v mt baryon trung bình phù h p v i giá tr thu ư c v i sao tr ng thái bình n Spite quan sát ư c, thì tính d phân h y hơn nhi u c a lithium-6 cho th y các sao lúc u ch a s lư ng lithium-6 so sánh ư c v i tr ng thái bình n lithium-7 quan sát ư c. T t c nh ng th c t này khi n cho các quan sát lithium-6 m t s ăn kh p không tho i mái i v i BBN, tính ch t v t lí sao, và các mô hình t ng h p h t nhân tia vũ tr - nh t là vi c s n sinh m t lư ng l n lithium-6 qua tia vũ tr ph i i kèm v i s s n sinh lithium-7. M c dù lithium-6 có th sinh ra theo m t s k ch b n v t lí h t kì l ã nh c t i ph n trên, nhưng i u c n thi t là chúng ta ph i xác nh n c l p các k t qu c a Asplund. Th t v y, cu c săn tìm lithium nguyên th y (thu c c hai ng v ) hi n nay ang tri n khai t i VLT, cũng như t i ài quan sát Keck và © hiepkhachquay 11
Kính thiên văn Sabaru Nh t B n, c hai u n m Hawaii. M c dù nh ng quan sát như th là úng gi i h n c a cái có th thu ư c v i nh ng thi t b này, nhưng t l có th r t l n: n u như k t qu lithium-6 tr v ng, thì chúng ta c n m t s xem xét l i r ng rãi v nh ng cái mà chúng ta nghĩ là chúng ta bi t v nh ng ngôi sao, tia vũ tr , và BBN. Cánh c a nhìn vào vũ tr sơ khai Nh ng phép o t t hơn c a s phong phú nguyên th y k t h p v i d li u vũ tr h c chính xác ang d n t i m t s chuy n hư ng trong cách th c nghiên c u BBN. Trong vòng sai s ư c tính c a chúng kho ng 10%, phong phú c a helium-4, deuterium và lithium-7 không phù h p v i lí thuy t BBN. Nhưng trong ph m vi “có th tin tư ng ư c” c a sai s thêm vào ư c nh lư ng m t cách nghèo nàn, ví d như sai s phát sinh do chúng ta không bi t nh ng môi trư ng thiên văn v t lí nh t nh, thì nh ng s o ó cho chúng ta bi t BBN là úng. Công vi c c a chúng ta hi n nay là c u ch a s không hi u bi t ó và, n u s không nh t quán v n t n t i, tìm hi u cái có ý nghĩa i v i tính ch t v t lí c a vũ tr sơ khai. Cho dù là v n lithium có hóa ra là m t d u hi u ban u c a nh ng h t m i ho c nh ng tính ch t v t lí cơ b n m i, thì câu tr l i cu i cùng v n s tùy thu c vào m t s hi u bi t t t hơn v các sao bình n Spite. Nói cách khác, c n th n tr ng khai thác h t m i l i gi i thích thiên văn v t lí trư c khi th m tra BBN d a trên nh ng tính ch t v t lí cơ b n n nay v n chưa khám phá ra. Trong g n ba th p niên, BBN là m u ch t trong l p lu n cho v t ch t t i phi baryon tính trong vũ tr . Nó gi l i cánh c a s rõ ràng nh t c a chúng ta m vào vũ tr trong kho ng th i gian dư i 1 năm sau Big Bang và – qua phép o m t baryon c a nó – là m t s ki m tra chéo d li u vũ tr h c do c n n vi ba vũ tr và kh o sát s phân b thiên hà mang l i. Tuy nhiên, hi n nay n n vi ba vũ tr mang lis omt baryon trung bình chính xác hơn so v i BBN, ch y u là nh WMAP, vai trò c a BBN trong thiên văn v t lí ang thay i. Tình hu ng m i ó làm tăng thêm s lư ng thúc ép lên BBN, có kh năng làm tăng thêm s c m nh c a nó là phép ki m tra c a các mô hình v t lí h t. Th t v y, phép ki m tra u tiên cho b t kì m r ng nào cho Mô hình Chu n c a v t lí h t là nó ph i gi ư c s thành công không tr n v n c a BBN. Trong vài năm t i, các d án như Sloan Digital Sky Survey, SEGUE, và chương trình RAVE ài quan sát Anglo-Australia s o thành ph n c a g n m t tri u ngôi sao trong thiên hà c a chúng ta. T p h p l n nh ng ngôi sao có tu i, thành ph n và l ch s khác nhau này s ư c dùng tái d ng l i l ch s l n x n c a các b ph n h p thành thiên hà c a chúng ta và h t nhân nguyên t c a nó, cũng như các nhà c sinh v t h c s d ng hóa th ch tái d ng l i l ch s c a s s ng trên Trái t. BBN cung c p i u ki n ban u cho câu chuy n này c a ngu n g c c a chúng ta. S t ng h p h t nhân Big Bang S t ng h p h t nhân Big Bang (BBN) là quá trình trong ó các h t nhân nh deuterium, helium-3, helium-4 và lithium-7 ư c t o ra trong vài phút u tiên c a vũ tr . Trong nhi u năm qua, BBN mang l i phương pháp áng tin c y nh t xác nh m t baryon trung bình c a vũ tr - m t thông s chính y u trong vũ tr h c cho bi t vũ tr © hiepkhachquay 12
ch y u c u thành t v t ch t “t i” ch không ph i các proton và neutron bình thư ng. Là thành ph n chính y u c a mô hình Big Bang nóng, BBN có th ư c ki m tra b ng cách o s phong phú c a nh ng h t nhân nh nh t nh có m t trong v t ch t vũ tr r t già. Nh ng phép o s phong phú h t nhân nh hi n nay mang l i nh ng giá tr mâu thu n nhau cho m t baryon c a vũ tr , nh t là v i lithium ang thách th c s hi u bi t c a chúng ta v các sao trong ó nó ư c tìm th y và c chính b n thân lí thuy t BBN. Nh ng phép o chính xác n n vi ba vũ tr mang l i m t s o cl pc am t baryon, và cho phép ki m tra ch t ch hơn mô hình Big Bang. Kenneth Nollett (Phòng thí nghi m qu c gia Argonne, Hoa Kì T p chí Physics World, tháng 8/2007) hiepkhachquay d ch (An Minh, ngày 10/08/2007, 5:45:52 PM) © hiepkhachquay 13