Năng lượng tối - Bí ẩn còn nằm phía trước

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

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'năng lượng tối - bí ẩn còn nằm phía trước', 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: Năng lượng tối - Bí ẩn còn nằm phía trước

NĂNG LƯ NG T I: BÍ N CÒN PHÍA TRƯ C Eric Linder, Saul Perlmutter M t ch c năm sau khi các nhà thiên văn v t lí phát hi n ra s dãn n c a vũ tr ang gia t c, ngày càng có nhi u phép o mang l i cho chúng ta m t vài manh m i v b n ch t c a năng lư ng t i ã i u khi n nó. Nhưng, như Eric Linder và Saul Perlmutter mô t , nh ng ti n b trong kĩ thu t quan tr c h a h n s soi ánh sáng lên n n v t lí mang tính cách m ng này trong th p niên trư c m t. M t th p niên trư c, vũ tr ã ư c ch n oán v i m t ch ng b nh kh c li t – có kh năng còn vào giai o n cu i – v “năng lư ng t i”. D a trên các quan tr c v sao siêu m i r t xa, vào u năm 1998, hai i nhà thiên văn v t lí ã công b k t lu n l lùng r ng s dãn n c a vũ tr th t ra là ang gia t c – và không b ch m l i dư i s nh hư ng c a l c h p d n như ngư i ta mong i. Công b ó h u như n m ngoài ni m tin: gi i thích cho s gia t c, kho ng 75% thành ph n kh i lư ng-năng lư ng c a vũ tr ph i c u thành t m t s ch t y h p d n huy n bí t trư c n nay chưa ai t ng nhìn th y. Ch t này, ch t s quy t nh s ph n c a vũ tr , ư c t tên là năng lư ng t i. Vũ tr không ch dãn n , mà còn dãn n v i t c ngày càng nhanh. Gi ng như m t ngư i ương u v i vi c ch n oán m t căn b nh e d a tính m ng, c ng ng khoa h c ã ti n tri n qua năm giai o n ph n ng v i vi c khám phá ra năng lư ng t i: ph nh n, gi n d , m c c , suy s p tinh th n và ch p nh n. Nh m t s quan sát c l p, ngày nay chúng ta bi t nhi u v giai o n th nh t trên. © hiepkhachquay 1
u tiên, nh ng phép o n n vi sóng vũ tr - b b c x vi sóng còn l i t th i Big Bang – th c hi n h i năm 2000 b i các thí nghi m khí c u Boomerang và MAXIMA, và h i năm 2003 b i thí nghi m WMAP, ã c l p nhau mang l i s ng h cho m t vũ tr ang gia t c. B ng ch ng thêm n a n t Cu c kh o sát b u tr i Kĩ thu t s Sloan, h i năm 2005 ã o “các g n sóng” trong s phân b c a các thiên hà l i d u v t trong các dao ng âm c a plasma nguyên th y 360.000 năm sau Big Bang khi vũ tr ã l nh cho v t ch t và b c x tách riêng ra. Các nhà thiên văn cũng ch ng b ng ch ng c a h cho m t vũ tr ang gia t c b ng nghiên c u th u kính h p d n – cách th c ánh sáng phát ra t nh ng ngu n xa b b cong b i trư ng h p d n c a các c m thiên hà kh i lư ng l n d c ư ng. Cu i cùng, cách ti p c n sao siêu m i nguyên th y ã t m r ng và c ng c thêm b i vi c bao g m nhi u v t th hơn, o ư c chính xác hơn và m t ph m vi l n hơn c a l ch s vũ tr , v i s h tr c a các kính thiên văn trên m t t và Kính thiên văn vũ tr Hubble (xem hình). Khám phá năng lư ng t i ư c làm cho có th th c hi n ư c nh th c t áng chú ý là sáng nh c c a sao siêu m i lo i Ia – sao ang bùng n - là như nhau cho dù nó cách bao xa i n a. Do ó, sao siêu m i tác d ng gi ng như m t v t ch th kho ng cách chính xác, nh ó cho phép các nhà nghiên c u tìm hi u ng l c h c vũ tr . Hình trên bi u di n “ ư ng cong ánh sáng” c a 73 sao siêu m i – sáng tăng lên t kho ng 18 ngày trư c sáng c c i ( ư c nh nghĩa là ngày 0) và sau ó m d n i - theo s li u o b i Cu c kh o sát sao siêu m i. ư ng cong ánh sáng gi ng h t bi u hi n b i sao siêu m i l ch cao, z > 0,589 (màu ), và l ch kém hơn có z < 0,589 (màu xanh). Cùng v i nhau, nh ng quan tr c này ã ưa các nhà vũ tr h c n m t b n mô t vũ tr g i là mô hình tương thích. Theo b c tranh này, 75% kh i lư ng năng lư ng vũ tr t n t i dư i d ng m t thành ph n gia t c y h p d n, bí n, còn 25% còn l i có tương tác hút h p d n. Th t ra, a ph n trong s 25% này (kho ng 5/6) không ph i là v t ch t thông thư ng mà là m t s ch t không bi t n a – g i là v t © hiepkhachquay 2
ch t t i – hút h p d n bình thư ng cho n nay v n chưa k t h p ư c v i b c x i n t . Nói chung, mô hình tương thích cho th y chúng ta ch hi u ư c m t ph n áng x u h ch ng 4% thành ph n c a vũ tr c a chúng ta. i m t v i s li u Cu i năm 2003, vi c ph nh n s gia t c vũ tr không còn là m t s l a ch n n a. Tuy nhiên, vào lúc ó, s th t v ng ho c gi n d m i b t u dâng lên. Gi ng h t như m t ngư i b nh kêu gào lên “t i sao l i là tôi, t i sao l i là lúc này ?”, nên các nhà v t lí th t s mu n tìm hi u xem t i sao vũ tr l i ang gia t c ch , và nh t là t i sao nó l i gia t c vào lúc này. ây là do các quan sát sao siêu m i không th cho chúng ta bi t sao siêu m i là cái gì, thì tác d ng c a nó lên vi c xé to c vũ tr ra gi ng m t cách trêu ngươi v i cái mà ngư i ta mong i n u như vũ tr th m nhu n m t h ng s vũ tr lâu nay b b rơi c a Einstein. Ngay sau khi Einstein công khai lí thuy t tương i r ng c a ông vào năm 1915 – lí thuy t mô t ng l c h c c a vũ tr và s ti n hóa c a v t ch t và năng lư ng bên trong nó – ông ã ưa m t h ng s vào trong các phương trình c a mình trung hòa l c hút h p d n c a v t ch t thông thư ng. Ông làm i u này vì ông mu n lí thuy t m i c a mình phù h p v i ni m tin lúc y r ng vũ tr là tĩnh t i. Nhưng khi y, vào năm 1929, Edwin Hubble ch ra r ng vũ tr ang dãn n , Einstein bu c ph i ưa ra h ng s vũ tr ra kh i lí thuy t tr l i. Tuy nhiên, k t ó thì kh năng có năng lư ng y h p d n v n còn ti m n trong lí thuy t c a Einstein. Th t k ch tính, m c dù “h ng s vũ tr ” r t cu c là m t ngu n gây ra s th t v ng não n i v i các nhà v t lí, nhưng nó cũng ư c tiên oán b i n n v t lí c a nh ng i tư ng r t nh : cơ h c lư ng t . Lí thuy t trư ng lư ng t tiên oán r ng ngay c không gian tr ng r ng cũng có m t năng lư ng do s sinh và h y t phát c a các h t sơ c p. Tuy nhiên, trên cơ s các h t mà chúng ta ã bi t là t n t i, thì mt năng lư ng chân không theo cơ h c lư ng t s l n n m c gây lúng túng 120 g p 10 l n so v i giá tr c n thi t gi i thích cho s gia t c vũ tr . Ngoài câu h i hóc búa xem có m t ng c viên t nhiên nào như th cho năng lư ng t i vào 120 b c l n là quá l n, thì s gia t c vũ tr hình như ch m i b t u g n ây trong l ch s vũ tr . Có l h ng s vũ tr ã vư t quá tác d ng h p d n c a v t ch t t i m i th i i m trong 13,7 t năm qua, trong th i gian ó vũ tr ã dãn n lên g p 1028 hay ng n y l n. Cho n nay nó ch óng góp hai b c c a hai l n dãn n g n ây – gi ng như t l so le 2 trong 1028 ! Nh ng i u vô lí này hình như ơn thu n s p t làm cho các nhà khoa h c iên d i, hay cho m t l i gi i thích ki u con ngư i trong ó các nh lu t c a t nhiên vì lí do gì ó liên k t v i s có m t c a chúng ta. Các nhà v t lí ch ng l i s gi n d v i vi c m c c r ng có l chúng ta không ph i i phó v i m t h ng s vũ tr th t s mà là m t trư ng lư ng t bi n thiên i u ch nh m t năng lư ng c a chân không như th vũ tr dãn n . Cách lí gi i này cũng g i n s l m phát – giai o n t c th i sau Big Bang trong ó vũ tr dãn n thêm kho ng có l ch ng 1026 l n trong vòng ch 10-33 s. Có kh năng ln c a h ng s vũ tr o ư c là nh vì vũ tr già nua, và có l nguyên nhân t i sao s gia t c x y ra r t g n v i th i hi n t i do v t ch t m i tr nên th ng tr b c x và nh ng c u trúc m c khá g n ây thôi. © hiepkhachquay 3
T năm 1998, các nhà lí thuy t ã nghiên c u m t ph m vi r ng nh ng mô hình như th , ví d g m nh ng lí thuy t trư ng lư ng t m i như “thuy t nguyên t th năm” và các m r ng c a thuy t tương i r ng (xem hình bên dư i). Ti n b l n ã ư c th c hi n trong vi c sàng l c ngôi vư n mô hình, nhưng v n còn ó m t lùm cây um tùm. Khó khăn trong vi c l a ch n trong s nhi u xu t cho năng lư ng t i – cùng v i th c t là a s phép o chúng ta có th ti n hành th và tìm hi u tính ch t c a nó d a trên n n thiên văn v t lí ph c t p c a các v t th xa xôi – ã mang m t b ph n c ng ng vào giai o n chán n n. Năng lư ng t i – ch t chưa rõ ang làm cho s dãn n c a vũ tr tăng t c – có th do nh ng dao ng lư ng t c a chân không, chúng có th ư c xem là “tính co dãn” c a không gian tr ng r ng. Vi c tìm hi u trư ng lư ng t là tĩnh t i hay bi n thiên theo th i gian s mang l i cho chúng ta nh ng manh m i quan tr ng v ngu n g c c a năng lư ng t i. H ng s vũ tr c a Einstein, v i nó các s li u hi n nay là tương thích, gi ng như m t trư ng c a các lò xo gi ng h t nhau không thay i theo th i gian (hình chèn phía trên), còn “thuy t nguyên t th năm” thì gi ng như trư ng bi n thiên trong không gian và th i gian (hình chèn vào phía dư i). Tuy nhiên, nh ng ti n b t ư c trong vài năm v a qua cho th y có th s có ánh sáng cu i ư ng h m. M t s ph i h p c a các thí nghi m th h k ti p, lí thuy t và chương trình máy tính s s m ưa các nhà nghiên c u vào giai o n ch p nh n, và ph n kh i hơn n a là s hi u bi t và ánh giá úng b n ch t c a vũ tr ang gia t c c a chúng ta H c cách i Trong 10 năm k t khi phát hi n ra s gia t c vũ tr , các nhà v t lí ã h c ư c cơ s c a cách i và nói. Ph n nhi u trong s này là xác nh “phương trình tr ng thái” cho năng lư ng t i. Einstein ã ch ra r ng ngoài kh i lư ng, m i d ng năng lư ng u óng góp cho h p d n. c bi t, thuy t tương i r ng tiên oán r ng cư ng c a l c hút h p d n b chi ph i b i s k t h p nh t nh c a m t năng lư ng, ρ, và áp su t p, dư i d ng: ρ + 3p. Tuy nhiên, n u áp su t là âm (như © hiepkhachquay 4
khi hai v t phân cách nhau b ng các lò xo cu n l i ch ng h n), s k t h p này có th có giá tr nh hơn không, như v y ã chuy n h p d n t l c hút thành l c y. Vì th , các nhà v t lí thư ng nh nghĩa phương trình tr ng thái dư i d ng w = p/ρ, trong ó w nh hơn – 1/3 gây ra s gia t c vũ tr . H ng s vũ tr Einstein tương ng v i w = - 1, vì tình hu ng trong ó áp su t b ng và i v i m t năng lư ng là cách duy nh t thu ư c m t năng lư ng c nh t không thay i trong không gian và th i gian, như Einstein v n nghĩ. Nhưng trong n l c tìm hi u b n ch t và ngu n g c c a năng lư ng t i, các nhà nghiên c u ã ti n xa kh i nh ng phương trình tr ng thái ơn gi n nh t này và nghiên c u nh ng giá tr khác c a w và nh t là hi n nay ang tìm cách hi u các tính ch t c a năng lư ng t i là hàm c a th i gian, w(t). Nh nh ng d li u thu th p qua nh ng quan sát trên m t t và trên không gian trong m t th p niên v a qua, chúng ta bi t r ng w t m c trung bình trong 7 t năm v a qua – t khi vũ tr có phân n a kích thư c hi n nay c a nó – trong vòng 10% h ng s vũ tr Einstein, w = -1. Th i kì gia t c có l b t u kho ng 5 t năm trư c, trư c ó năng lư ng t i còn hi m nên l c h p d n th ng tr và làm ch m d n s dãn n c a vũ tr (t c là s gi m t c vũ tr ). Hi u bi t c a chúng ta v vi c năng lư ng t i th t ra phát sinh như th nào và nó có bi n thiên theo th i gian hay không thì khiêm t n hơn nhi u l m. Ví d , trư c gi m i ngư i chúng ta có th k t lu n r ng w không bi n thiên nhi u hơn hai l n trong 7 t năm v a qua. Thách th c hi n nay là bi n s hi u bi t c a chúng ta v w thành phép o chính xác, v i sai s c 2%, và bi t nó bi n thiên như th nào theo th i gian n chính xác t t hơn 10%. Khi ó, chúng ta s có nhi u ch d n hơn v n n v t lí m i chi ph i vũ tr c a chúng ta. M t phương pháp thu ư c k t qu này là thu th p nhi u lo i d li u hơn n a b ng các d ng c kh o sát vũ tr tr c ti p và ã bi t rõ. D dàng th y vi c thu th p thêm nhi u lo i d li u hơn so v i hi n nay chúng ta có là không , chúng ta c n ph i quan sát các sao siêu m i và thiên hà n m sâu hơn n a trong không gian và nh ó là nhìn xa hơn n a ngư c dòng th i gian. Chúng ta cũng c n ph i có th tách bi t rõ ràng hơn nhi u so v i hi n nay nh ng tính ch t ích th c c a vũ tr t s không hoàn h o trong nh ng quan sát c a chúng ta. Ch ng h n, m t sao siêu m i có th xu t hi n trư c m t chúng ta dư i d ng m t i vì nó n m quá xa ho c ánh sáng c a nó b tán x b i b i trong thiên hà nơi nó cư trú, và th u kính h p d n là vì s làm lu m hình nh c a kính thiên văn do b u khí quy n c a Trái t. Do nhi u tính ch t c a năng lư ng t i b hòa l n v i các i lư ng khác, ch ng h n như m t v t ch t trong vũ tr , nên c n thi t ph i s d ng nhi u kĩ thu t quan tr c khác nhau. Hơn n a, do năng lư ng t i v a nh hư ng tr c ti p lên các kho ng cách vũ tr v a nh hư ng gián ti p lên s phát tri n c a các thiên hà và các c m thiên hà (vì th t khó cho các c m kh i lư ng phát tri n n u như không gian xung quanh chúng b kéo nhanh ra xa nhau), nên kĩ thu t b sung cũng có th giúp tr l i nh ng câu h i quan tr ng v mùi v c n thi t c a n n v t lí m i. ây có th là m t thành ph n v t lí m i, ví d như năng lư ng trư ng lư ng t , cái nh hư ng n kho ng cách vũ tr và s phát tri n thiên hà theo cách gi ng nhau, hay m t quy lu t v t lí m i m r ng thuy t h p d n Eíntein, cái nh hư ng n kho ng cách và s phát tri n thiên hà theo ki u khác nhau. © hiepkhachquay 5
N u nhìn vào b n ghi v t tích phát hi n n n v t lí m i c a các nhà thiên văn, chúng ta có th th y t i sao chúng ta c n có nh ng quan sát m i gi i quy t v n . Nan c a th k 18 v chuy n ng c a các hành tinh nhóm ngoài h M t Tr i ã ư c gi i quy t b ng cách thêm m t thành ph n v t ch t m i – ó là H i Vương tinh, phát hi n ra năm 1829. Nan c a th k 19 v chuy n ng c a hành tinh nhóm trong, Th y tinh, m t khác, ã ưa n s m r ng thuy t h p d n Newton: thuy t tương i r ng. Nan c a th k 20 v chuy n ng c a các sao trong các thiên hà có kh năng s ư c gi i quy t b ng vi c khám phá ra m t thành ph n m i – các h t v t ch t t i, m c dù cho n nay chúng ta chưa h phát hi n ra chúng. i v i v t ch t t i, hi n nay là v n c p thi t nh t trong vũ tr h c, bí n c a thành ph n m i cùng v i quy lu t m i ch có th k t lu n thông qua nh ng nh ng thí nghi m ư c lên k ho ch c n th n. Chuy n hư ng sang vũ tr sơ khai Có b n kĩ thu t th c nghi m ch y u s cho phép chúng ta soi ánh sáng lên bí n c a năng lư ng t i. u tiên là tìm nh ng g n sóng trong s phân b c a các thiên hà, chúng phát ra trong nh ng dao ng âm h c c a v t ch t baryon tính (t c là v t ch t thông thư ng) khi nó liên k t v i b c x n n vũ tr trư c khi v t ch t và b c x tách riêng ra. Gi ng như nh ng chi c lá (baryon) trôi n i trên m t h (b c x n n), các g n sóng trong nư c ư c nh n ra hình nh nh ng chi c lá. Vì chúng ta ch có th o bư c sóng c a nh ng g n sóng t hình m u dao ng nhi t trong n n vi sóng vũ tr , nên chúng ta có th so sánh chúng v i nh ng quan sát v hình m u thiên hà trên b u tr i xác nh kho ng cách n nh ng thiên hà này. V tinh Planck là m t trong s vài d án m i s soi ánh sáng lên năng lư ng t i b ng vi c nghiên c u n n vi sóng vũ tr . Do ch có 1/6 toàn b v t ch t là có baryon tính, trong khi ph n còn l i trong d ng th c có ph n t i hút h p d n nhưng không c p ôi v i ánh sáng (gi ng như á trong h không b nh hư ng b i chuy n ng c a nư c), nên hình nh dao ng baryon tính huy n o hơn nhi u so v i các thăng giáng nhi t chúng ta © hiepkhachquay 6
nhìn th y ngay trong n n vi sóng b ng các thi t b kh o sát như WMAP. Tuy nhiên, năm 2005, Cu c kh o sát b u tr i kĩ thu t s Sloan, ti n hành trên d li u thu th p b i m t chi c kính thiên văn 2,5 m t New Mexico nhìn ngư c tr l i 4 t năm, ã phát hi n ra các g n sóng baryon y u. Th t v y, như ã nói ph n u, th c t hình nh thiên hà phù h p v i mô hình tương thích ng h cho khám phá ra vũ tr ang gia t c. c i ti n chính xác c a nh ng phép o, bây gi chúng ta c n m r ng nh ng kh o sát thiên hà như th n th tích l n hơn nhi u. B t u vào năm 2009, Cu c kh o sát b u tr i dao ng baryon ư c lên l ch trình b t u kh o sát m t ph n tư b u tr i n l ch z = 0,8, khi vũ tr phân n a tu i c a nó hi n nay, cũng như m t lát m ng b u tr i kho ng z = 2,5 khi nó vào 1/6 tu i c a nó hi n nay. ( l ch là do s tr i ra c a ánh sáng khi vũ tr dãn n và nh ó mang l i m t s o kho ng cách: z = (λobs – λ0)/λ0, trong ó λobs là bư c sóng c a ánh sáng phát hi n và λ0 là bư c sóng c a ánh sáng khi nó phát ra) Thí nghi m Kính thiên văn năng lư ng t i Hobby—Eberly (HETDEX) theo k ho ch b t u quan sát vào năm 2010, s t p trung vào lát m ng th hai này m t cách chi ti t hơn. Phương pháp dao ng - âm h c – baryon ch y u nh y v i m t v t ch t c a vũ tr . ây là vì nh ng phép o như th c n m t s so sánh gi a kích thư c quan sát th y c a nh ng g n sóng âm h c v i kích thư c mong i t n n vi sóng vũ tr , chúng phát ra trong th i kì khi mà s c hút h p d n t phía v t ch t ph i chi m ưu th so v i s c y h p d n t năng lư ng t i. Tuy nhiên, khi k t h p v i nh ng quan sát sao siêu m i, i u này gi vai trò quan tr ng trong vi c tách m t v t ch t kh i các tính ch t năng lư ng t i. Kĩ thu t th hai x lí năng lư ng t i là nghiên c u chính n n vi sóng vũ tr . Nhi t và quy mô không gian c a các ch m nóng và l nh trong bi n b c x i n t này mang l i m t công c thăm dò tráng l c a vũ tr nguyên th y ch ng 360.000 năm sau Big Bang. Vì vũ tr sơ khai ph i b v t ch t th ng tr , v i m t ít năng lư ng t i, nên n n vi sóng ph n ánh tương i ít tr c ti p v tính ch t c a năng lư ng t i. Nhưng, gi ng như dao ng âm h c baryon tính, nó gi m t vai trò quan tr ng trong vi c tách riêng ra vai trò c a m t v t ch t. Ngoài nh ng d li u ang tri n khai t WMAP và nh ng thí nghi m trên m t t, m t th h m i c a các thí nghi m n n vi sóng vũ tr , như Clover, EBEX, PolarBear, QUIET và Spider – s xây d ng t i sa m c cao Amataca Chile ho c bay trên khí c u – ư c mong i mang l i d li u t năm 2008 n 2010. Nh ng q này – không tính n d li u t v tinh Planck, s ư c phóng lên trong năm 2008 – s cho phép chúng ta o s phân c c c a b c x vi sóng vũ tr và có l cho phép chúng ta s d ng m t lo i th u kính h p d n y u, kĩ thu t th tư ư c trình bày ph n sau, tim ra nhi u hơn v năng lư ng t i. B c x vi sóng vũ tr cũng mang l i “ánh sáng ph n h i” phát hi n ra các c m thiên hà qua “cái bóng” c a chúng khi các photon vi sóng tán x kh i các electron nóng b ng trong lõi thiên hà. ư c g i là hi u ng Sunyaev–Zel'dovich, m t vài nhóm nghiên c u hi v ng s d ng ư c hi u ng này o kích thư c c a các c m thiên hà và do ó kho ng cách c a chúng nh m nghiên c u năng lư ng t i. Các thí nghi m như ACT và APEX-SZ Chile và Kinh thiên văn Nam C c ch m i b t u ho t ng th theo cách ti p c n này. © hiepkhachquay 7
Thăm l i sao siêu m i Phương pháp tr c ti p nh t o s dãn n vũ tr gi ng như kĩ thu t ã ư c s d ng phát hi n ra năng lư ng t i giai o n th nh t: quan sát sao siêu m i “lo i Ia” xa. áng chú ý là toàn b nh ng phép o v nh ng ngôi sao ang bùng n này cho th y chúng có cùng sáng chu n hóa b t ch p chúng x y ra ngày hôm qua hay 10 t năm trư c ây ( sáng n i t i c a chúng có th bi n thiên, nhưng m t khi tính n th i gian cho ánh sáng c a chúng t c c i và m d n, thì sáng c a chúng có v khá chu n). Như v y, sáng o ư c c a sao siêu m i – có th nhìn vào chi u sâu c a vũ tr - cho chúng ta bi t chúng cách bao xa. Vi c khám phá ra vũ tr ang gia t c h i 10 năm trư c là d a trên quan sát c a vài tá sao siêu m i, nhưng k t ó các nhà nghiên c u ã o ư c vài trăm và thu ư c m t b c tranh thô c a 10 t năm v a qua c a s dãn n vũ tr . Ti n b hơn n a trong vũ tr h c sao siêu m i yêu c u nh ng phép o chính xác và chi ti t hơn n a v kho ng th i gian tr n v n này. Vi c này gi ng như cách ngư i ta xây d ng b c tranh khí h u c a Trái t b ng cách nghiên c u các vân cây, v i các vân r ng hư ng t i m t năm m hơn. Nh m thu ư c b c tranh khí h u rõ ràng nh t, ngư i ta không ch c n kh o sát nhi u cây hơn mà còn thu th p d li u t các lo i cây khác nhau trong nh ng môi trư ng khác nhau nh m mang l i s hi u bi t chính xác hơn. S d ng các phép o vũ tr h c, chúng ta có th l n theo kho ng cách tăng d n gi a các thiên hà như m t hàm c a th i gian – t c là bi u ti n hóa c a s dãn n c a vũ tr ngư c dòng th i gian t hi n t i (t i th i i m 0 và kho ng cách t b ng 1) hay xuôi dòng th i gian tính t Big Bang (kho ng cách b ng 0). K t h p nh ng kĩ thu t quan tr c khác nhau, như sao siêu m i, th u kính y u và dao ng baryon, cho phép các nhà thiên văn l p bi u m t ngư ng r ng c a l ch s vũ tr và ki m tra k t qu c a phương pháp này so v i phương pháp khác nh m thu ư c s hi u bi t rõ ràng hơn v b n ch t c a vũ tr ang gia t c. © hiepkhachquay 8
Trong tương lai trư c m t, nh ng kh o sát ví d như Xư ng Sao siêu m i lân c n s nghiên c u sao siêu m i t úng 1 t năm g n ây nh t chi ti t m t cách tài tình, còn Panstarrs b t u ho t ng trong năm 2008 Hawaii và Cu c kh o sát Năng lư ng t i vào năm 2010 Chile s kh o sát ngư c dòng th i gian kho ng ch ng 7 t năm, dù là kém chi ti t hơn. Tuy nhiên, s khó mà phân bi t các mô hình khác nhau cho năng lư ng t i cho n khi m t thí nghi m k t h p ư c nh ng i lư ng t t nh t c a t ng lo i kh o sát: nói cách khác, ó là m t s xem xét chi ti t cao t n sao siêu m i trong toàn b th i kì năng lư ng t i nh hư ng n vũ tr . i v i các ngu n phát xa, ánh sáng b l ch sang bư c sóng h ng ngo i g n, nên m c tiêu này yêu c u m t ài quan sát trên không gian. Năm 1999, Thi t b kh o sát Sao siêu m i/Gia t c (SNAP) ư c xu t nh m th c hi n m t s so sánh “cây v i cây” chi ti t cho ch ng vài ngàn sao siêu m i ang m r ng trong 10 t năm qua. NASA và B Năng lư ng Mĩ ã ng ý ti n hành S m nh Năng lư ng t i chung, và hi n nay có thêm ít nh t là hai xu t n a. ó là Kính thiên văn không gian Năng lư ng t i (Destinv), thi t b s nghiên c u sao siêu m i và th u kính y u, và Kính thiên văn V t lí Năng lư ng t i tiên ti n (ADEPT), s nghiên c u các dao ng âm h c baryon và sao siêu m i. C hai u ang c nh tranh qu tài tr v i SNAP, và s m nh thành công s m nh t s là vào năm 2014. Vũ khí cu i cùng mà chúng ta có x lí năng lư ng t i là th u kính h p d n y u, bao g m vi c o hình nh u n cong ánh sáng phát ra b i nh ng thiên hà xa do trư ng h p d n c a nh ng s t p trung kh i lư ng ví d như các thiên hà trên ư ng truy n ánh sáng. Tư ng tư ng m t ai ó c m m t th u kính gi a b n và m t b c tư ng ph m t l p gi y dán tư ng có hoa văn, s méo hình s ph thu c c vào s c m nh c a th u kính l n kho ng cách t nó n hai m t b n và b c tư ng. Do ó, th u kính y u kh o sát năng lư ng t i v a tr c ti p thông qua vi c kéo căng kho ng cách v a gián ti p thông qua kh i lư ng c a các c m thiên hà, vì s dãn n càng nhanh thì càng khó cho l c h p d n hút v t ch t l i v i nhau. Khi xem xét ng th i, nh ng cu c kh o sát l n nh t và sâu xa nh t m nh n hình nh trong ch ng m c kho ng 1/400 c a toàn b b u tr i, ch y u t d li u thu th p b i Kh o sát Kính thiên văn Canada-Pháp-Hawaii. Nh ng cu c kh o sát ch ng ch c l n l n hơn, n nh ng chi u sâu khác nhau, s ư c ti n hành trong vòng vài năm t i b i Kh o sát Kilodegree Chile, PanStarrs và Kh o sát Năng lư ng t i. Kính thiên văn Kh o sát Khái quát L n (LSST) m i trên m t t, b t u vào năm 2013 ho c mu n hơn, cũng ư c lên k ho ch kh o sát phân n a c a toàn b b u tr i, trong khi s m nh SNAP cũng bao hàm m t kh o sát th u kính y u trên không gian có th bao quát kho ng 1/10 b u tr i sâu và v i phân gi i cao. Nh ng d li u như th , nh t là khi ph i h p v i m t kh o sát kho ng cách thu n túy như kh o sát sao siêu m i, ph i có th mang l i nh ng phép ki m tra chính xác tính ch t c a năng lư ng t i – bao g m vi c làm sáng t nghi v n ch y u xem năng lư ng t i là m t thành ph n m i c a vũ tr hay là bi u hi n c a nh ng quy lu t m i c a s h p d n. ây là do s b cong ánh sáng ch p ư c b i th u kính h p d n y u b nh hư ng b i c s gia t c c a vũ tr l n cư ng h p d n, trong khi các kho ng cách sao siêu m i ch ph thu c vào s gia t c vũ tr - b t ch p nó b chi ph i b i s h p d n m i hay m t trư ng lư ng t m i. Ch b ng cách © hiepkhachquay 9
s d ng c kh o sát kho ng cách như kh o sát sao siêu m i và kh o sát gia tăng như th u kính, chúng ta có th tách riêng ra nh ng nh hư ng này và khám phá ra ngu n g c v t lí th t s c a câu h i h t s c hóc búa c a chúng ta, s gia t c vũ tr . Tương lai sáng s a cho năng lư ng t i Trong 10 năm t i, chúng ta có th l c quan v nh ng ti n b trong s hi u bi t c a chúng ta v năng lư ng t i. Nh ng thí nghi m ph c t p th h ti p theo ang ư c thi t k s c i thi n áng k chính xác c a nh ng phép o năng lư ng t i s d ng nhi u kĩ thu t, ph n nhi u trong s ó b sung cho nhau và do ó ưa chúng ta g n hơn n vi c hi u bi t nh ng tính ch t c a năng lư ng t i. Trong th i gian 10 năm, chúng ta ph i có th xác nh phương trình tr ng thái n chính xác 2% và xem nó có bi n thiên hơn 10% hay không trong 10 t năm qua, ng th i cũng ki m tra xem n n v t lí m i bao hàm m t trư ng lư ng t m i hay m t lí thuy t h p d n m i. M t trong nh ng khó khăn trong vi c tìm hi u ngu n g c c a năng lư ng t i là b t kì kĩ thu t nào kh o sát vũ tr cũng ph n h i câu tr l i k t h p các m ng thông tin khác nhau. May thay, nh ng kĩ thu t nh t nh có th k t h p mang l i câu tr l i có s c m nh hơn nhi u. Khi v th phương trình tr ng thái thông s cho năng lư ng t i, w, i lư ng o lư ng y “ph n h p d n” mà nó có, theo lư ng v t ch t có m t hi n nay, ΩM, v t ch t c u thành nên ph n còn l i c a vũ tr , chúng ta có th th y d li u hi n nay t kh o sát sao siêu m i (d i màu xanh dương), b c x n n vi sóng vũ tr (màu cam), và dao ng âm h c baryon (màu xanh lá) u cho góc khác lên b n ch t c a năng lư ng t i (vùng tô m hơn c a t ng màu bi u di n tin c y th i gian riêng 68% và vùng tô nh t hơn là tin c y 95% và 99%). Khi k t h p k t qu t c ba kh o sát này l i, chúng ta có th t ng t chú ý vào b n ch t c a năng lư ng t i. K t qu này ư c ch ra b ng vùng màu en nh chính gi a, cho th y r ng năng lư ng t i phù h p v i h ng s vũ tr Einstein cho b i w = - 1. © hiepkhachquay 10
V i nh ng ti n b như th , chúng ta s có th ch c ch n chuy n sang giai o n ch p nh n n n v t lí m i c a vũ tr ang gia t c c a chúng ta. Có l chúng ta s còn nh n nh r ng nh ng câu h i hóc búa như t i sao năng lư ng t i t n t i và t i sao nó t n t i ngay lúc này có nh ng l i gi i ơn gi n b c l th gi ó tuy t p v n n v t lí cơ s . Nhưng chúng ta cũng không nên quên r ng lĩnh v c năng lư ng t i là r t tr , và có l chúng ta s còn có m t th i kì khám phá lâu dài và y hào h ng phía trư c trư c khi nó trư ng thành. Vi c tìm hi u phương trình tr ng thái cho năng lư ng t i cũng có th t ng t làm thay i s hi u bi t c a vũ tr v s ph n c a vũ tr . Ví d , s tăng t c liên t c s d n t i m t vũ tr ngày càng kém m c hơn và l nh l o hơn, v i ư ng chân tr i c a vũ tr nhìn th y ti n g n n xung quanh ngư i quan sát và cu i cùng l i cho chúng ta m t vũ tr th t s t i tăm. Nhưng s hi u bi t t t hơn v năng lư ng t i cũng làm phát sinh nh ng nghi v n sâu s c khác. N u như s dãn n tăng t c th t s là m t cánh c a m vào nh ng lí thuy t h p d n m i, ch ng h n, thì nó có th hé m nh ng chi u n gi u c a không-th i gian hay không ? Năng lư ng t i có hoàn toàn t i, tách r i v i v t ch t và các trư ng lư ng t khác hay không ? Có th nào phát hi n ra s co c m năng lư ng t i – m t b sung c n thi t cho b t kì s bi n i nào c a năng lư ng t i theo th i gian – hay không ? Và có hay không m t s bi n i có liên quan trong cái chúng ta cho là nh ng h ng s , ví d như h ng s h p d n Newton hay kh i lư ng c a electron ? Ti p theo câu tr l i cho nh ng câu h i nan gi i ó v b n ch t c a vũ tr c a chúng ta òi h i lí thuy t, mô ph ng và các quan sát liên t c ph i h p v i nhau. Trong cu c truy lùng năng lư ng t i, chúng ta s không th tránh kh i và hài lòng thu th p d li u và ng th i phát tri n s hi u bi t v vũ tr thiên văn v t lí quen thu c hơn: các sao, thiên hà, c m thiên hà, b c x n n vũ tr , neutrino và nh ng khám phá n nay v n chưa tư ng tư ng ra. Con ư ng phía trư c ang thách th c. Nhưng các nhà vũ tr có nh ng ý tư ng rõ ràng trong vi c th c thi nh ng kh o sát c i ti n nh m ti p t c s ti n b áng chú ý trong cu c cách m ng v t lí c a vũ tr ang tăng t c. Nghiên c u sao siêu m i B ng cách o s dãn n c a vũ tr s d ng các sao ang bùng n - sao siêu m i – làm v t ch th kho ng cách, các nhà khoa h c hi v ng tr l i ư c cho m t s câu h i cơ b n nh t c a s t n t i, ví d như vũ tr có vô h n hay không, nó có ti p t c dãn n mãi mã hay không, hay l c h p d n s có làm ch m s dãn n sao cho vũ tr cu i cùng s b t u co tr l i và sau cùng s k t thúc trong m t v “co l i l n” hay không. Sao siêu m i có ích v phương di n này vì chúng sáng n m c chúng có th ư c nhìn th y t trên Trái t này, cho dù là ánh sáng c a chúng ã truy n i 10 t năm trư c khi ch m t i chúng ta. Hơn n a, có m t h sao siêu m i nh t nh – g i là lo i Ia – mà t t c u t a sáng n giá tr c c i như nhau trư c khi b t u lu m i. Vì chúng ta bi t t c ánh sáng, nên chúng ta có th tính ư c bao lâu trư c ây nh ng v n này x y ra ơn gi n b ng cách o c c i sáng bi u ki n c a sao siêu m i ngày nay. Cái các nhà khoa h c c n nghĩ t i là sao siêu m i v i nhi u sáng bi u ki n, nói cách khác, nh ng sao này n m nh ng kho ng cách khác nhau tính t © hiepkhachquay 11
Trái t. Sao siêu m i ch y u phát ra ánh sáng xanh bư c sóng ng n b kéo căng thành nh ng bư c sóng dài hơn, hơn khi vũ tr dãn n . B ng cách o kích thư c c a s “l ch ” này, ngư i ta có th xác nh kích thư c c a vũ tr khi v n x y ra tương i so v i kích thư c c a nó ngày nay. Cho dù là các nhà thiên văn Walter Baade và Fritz Zwicky ã xu t h i th p niên 1930 r ng m t phép o như th có th th c hi n ư c, nhưng sao siêu m i b t kì l ch cho trư c có nhi u sáng th t s , có nghĩa là ý tư ng ó héo mòn d n cho n gi a th p niên 1980 khi sao siêu m i lo i Ia ng u hơn ư c nh n ra. Nh ng ti n b trong kĩ thu t tính toán và công ngh camera cũng giúp làm tái sinh cách ti p c n này: nh ng camera m i nh t không ch nh y hơn nhi u so v i các t m phim ch p, mà còn là kĩ thu t s , nghĩa là hình nh c a chúng có th d dàng phân tích b ng máy tính. c bi t, ngư i ta có th tìm ki m sao siêu m i b ng cách quét qua các thiên hà trong m t êm. Sao siêu m i, ví d như các sao này ch p b i Kính thiên văn vũ tr Hubble, sáng như các thiên hà và ư c r ng rãi o m c nhanh mà vũ tr ang dãn n . D u v y, v n không ư c sáng t mãi cho n cu i th p niên 1980 thì sao siêu m i r t xa m i ư c tìm th y và nghiên c u khi ti n hành tìm ki m sao siêu m i. Th t v y, m t i nhà thiên văn an M ch, ng u là Hans Nørgaard- Nielsen, ã ti n hành m t cu c truy lùng kh ng l tìm sao siêu m i t năm 1986 n 1988 mang l i ch m t sao siêu m i lo i Ia xa xôi; t hơn n a, nó ã vào giai o n lu m , sáng c c i c a nó ã qua. M t th p niên n l c là c n thi t làm r n ra v n , bao g m nh ng kĩ thu t m i tìm ki m và nghiên c u toàn b các nhánh c a sao siêu m i lo i Ia trư c khi chúng t n sáng c c i c a chúng. Trong các thuy t trình t i các h i ngh khoa h c vào u năm 1998 và qua nh ng bài báo công b vào cu i năm ó, hai i nghiên c u – i Tìm ki m Sao siêu m i Z cao ng u là Brian Schmidt n t trư ng i h c qu c gia Australia và D án Vũ tr h c Sao siêu m i ng u là m t trong hai tác gi c a bài vi t này (SP) – ã ưa ra nh ng k t qu r t b t ng . M c dù h ã c g ng o m c s dãn n vũ tr ch m d n, nhưng c hai i nghiên c u u tìm th y s dãn n vũ tr ang nhanh lên. th y sao siêu m i b l ch m t lư ng nh t nh, c hai i u th y c n ph i nhìn vào nh ng sao siêu m i m nh t hơn và xa hơn so v i mong i. Nói cách khác, vũ tr hi n nay ang dãn n nhanh hơn so v i trong quá kh . © hiepkhachquay 12
Hi n nay, ã m t th p niên trôi qua, các nhà khoa h c v n không có ý ki n t i sao s dãn n vũ tr l i ang tăng t c. Có l nó là m t d u hi u cho th y thuy t tương i r ng c a Einstein s ph i ư c xét l i. Nhưng n u s gia t c là do cái g i là năng lư ng t i, thì chúng ta còn l i m t v n khó khăn không kém – c th là g n như ba ph n tư v t ch t trong vũ tr c u thành t th mà chúng ta ch ng bi t gì c. Năng lư ng t i • Phát hi n ra 10 năm trư c ây t nh ng quan sát sao siêu m i do hai i qu c t c l p th c hi n, s gia t c vũ tr là m t trong nh ng khám phá n i b t nh t trong vũ tr h c. ng l c chi ph i s tăng t c vũ tr thư ng ư c gán cho “năng • lư ng t i” – m t ch t không bi t, y h p d n và c u thành n 75% thành ph n kh i lư ng-năng lư ng c a vũ tr . • D li u hi n nay cho th y năng lư ng t i có th là m t s lo i “h ng s vũ tr ”, do Einstein xu t l n u tiên vào năm 1917 và có m t cách gi i thích cơ lư ng t là năng lư ng chân không. • Nghi v n ch y u mà các nhà nghiên c u ngày nay i m t là năng lư ng th t s là m t h ng s vũ tr hay m t th gì ó khác còn l lùng hơn. Gi i quy t bài toán này bao g m vi c o phương trình thông s tr ng thái, w, chính xác hơn nhi u n a. • Nh ng phép o chính xác hơn c a sao siêu m i, các dao ng âm h c baryon tính, n n vi sóng vũ tr và th u kính h p d n y u s giúp tr l i câu h i này trong th p niên t i. • Năng lư ng t i cu i cùng có th l i cho vũ tr c a chúng ta toàn b s t i tăm b i vi c làm cho các v t th lùi xa kh i Trái t ngày càng nhanh hơn n a cho n khi chùng m khu t t m nhìn. c thêm v năng lư ng t i R R Caldwell 2004 Dark energy Physics World May pp37–42 R R Caldwell and P J Steinhardt 2000 Quintessence Physics World November pp31—37 E V Linder 2007 Resource letter on dark energy and the accelerating universe arXiv:0705.4102v1 Am. J. Phys. at press S Perlmutter 2003 Supernovae, dark energy, and the accelerating universe Physics Today April pp53–60 A G Riess and M S Turner 2004 From slowdown to speedup Sci. Am. 290 62–67 H p d n và vũ tr ang gia t c: www.teachersdomain.org/resources/phy03/sci/ess/eiu/expand Universe Adventure: UniverseAdventure.org Tác gi : Eric Linde và Saul Perlmutter hi n ang làm vi c t i trư ng i h c California Berkeley, Mĩ. Nguyên b n: Dark energy: the decade ahead (Physics World, tháng 12/2007) hiepkhachquay d ch An Minh, ngày 05/12/2007, 21:29:15 © hiepkhachquay 13