Vật chất tối có thể tồn tại không?

Vật chất tối được cho là tạo nên một phần quan trọng của vũ trụ. Tuy nhiên, kinh nghiệm của chúng ta với vật chất tối cho đến nay khá khác biệt. Chúng ta biết rằng Mặt trời của chúng ta là thiên thể lớn nhất về khối lượng trong Hệ Mặt trời, và chúng ta cũng biết rằng Mặt trời được cấu tạo từ vật chất “bình thường” (ví dụ như proton, neutron, electron). Ngoài ra còn có các vật phẩm. Tuy nhiên, trong khi vật chất tối không thể là một trong những chất này, nó không thể là bất kỳ hạt nào trong mô hình chuẩn. Ngoài ra, vật chất tốiNó cũng không phải là lý thuyết duy nhất giải thích các hiện tượng vật lý và các quan sát trong vũ trụ, bao gồm cả lực hấp dẫn. Một lý thuyết khác cho rằng luật hấp dẫn tự nó được quy định. Động lực học Newton đã sửa đổi, lý thuyết MOND, xuất hiện cùng với những chữ cái đầu của định nghĩa, là lý thuyết thay thế tốt nhất từng được đưa ra đối với vật chất tối .

Để giải thích rõ vấn đề này, sẽ rất hữu ích khi quay trở lại những năm 1800 và nói về vấn đề thiếu khối lượng – hay ánh sáng. Đây là vấn đề mà MOND và vật chất tối đang cố gắng giải quyết ngày nay: vấn đề sao Thiên Vương và sao Thủy . Các định luật hấp dẫn do Newton đưa ra vào những năm 1600 đã cho thấy sự thành công phi thường trong việc giải thích vật lý của tự nhiên. Từ các mục tiêu của các đối tượng chuyển động; trọng lượng của các bộ phận của đồng hồ quả lắc; Từ trọng lượng riêng của một chiếc thuyền đến quỹ đạo của Mặt trăng quanh Trái đất , các định luật Newton luôn hoạt động.

Hình elip

Trên thực tế, ba định luật của Kepler , một dạng đặc biệt của định luật hấp dẫn của Newton , có thể áp dụng như nhau cho tất cả các hành tinh đã biết:

  1. Các hành tinh quay quanh quỹ đạo hình elip với Mặt trời tại một tiêu điểm.
  2. Trong quỹ đạo của nó quanh Mặt trời, diện tích bị quét bởi mỗi hành tinh là bằng nhau tại mỗi điểm trên quỹ đạo của nó tại mỗi khoảng thời gian (diện tích bị quét bởi một hành tinh trong những khoảng thời gian bằng nhau trên quỹ đạo của nó bằng nhau. Hành tinh chuyển động nhanh dần đều khi nó ở gần Mặt trời, quét một mặt cắt rộng hơn, trong khi nó ở xa hơn). quét một vùng hẹp hơn nhưng dài hơn. Hai diện tích này bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau.)
  3. Bình phương của chu kỳ quỹ đạo của hành tinh tỷ lệ với hình lập phương có độ dài trục bán chính (độ dài trục bán chính bằng một nửa kích thước của trục dài của hình elip. Giá trị này bằng đường kính trong hình tròn và càng gần hình elip đối với đường tròn, khoảng cách giữa độ dài nửa trục chính và nửa trục nhỏ càng ít.)

Các hành tinh bên trong và bên ngoài đã biết tuân thủ các quy tắc mà chúng tôi đã liệt kê ở trên. Trong hàng trăm năm, thậm chí không có sai lệch nào trong các giá trị này có thể được phát hiện. Cho đến khi phát hiện ra Sao Thiên Vương vào năm 1781. Trong khi hành tinh mới được phát hiện dường như quay quanh quỹ đạo hình elip trong Hệ Mặt Trời, nó dường như cũng đang chuyển động với tốc độ sai theo định luật hấp dẫn.

Tin liên quan:   Outlet có nghĩa là gì? Ưu nhược điểm Outlet và Cách chọn hàng Outlet CỰC CHẤT!

Sao Thiên Vương

Trong 20 năm đầu tiên được phát hiện, Sao Thiên Vương di chuyển nhanh hơn vào một số đêm và một số năm so với dự đoán của quy luật. Tuy nhiên, trong 20-25 năm tiếp theo, hành tinh này vẫn tiếp tục chuyển động theo đúng quy định của pháp luật. Cuối cùng, nó giảm tốc độ và giảm tốc độ xuống dưới mức dự đoán của luật.

Luật hấp dẫn có sai không? Có lẽ. Hoặc có thể có những chất mà chúng ta không thể thấy là nguyên nhân gây ra chuyển động tăng và giảm tốc của hành tinh này. Vật chất vô hình, cụ thể là vật chất tối , đang thu hút Sao Thiên Vương và gây ra những thay đổi trong quỹ đạo của nó. Sau đó, người ta thấy rõ rằng điều này thực sự là như vậy. Sau trận chiến lý thuyết giữa Urbain Le Verrier và John Couch Adams, tiên đoán của Le Verrier đã được Johann Galle và trợ lý của ông xác nhận vào ngày 23 tháng 9 năm 1846, và sao Hải Vương được phát hiện. Vật thể này cũng có điểm khác biệt là vật thể đầu tiên được phát hiện do tác động nhiễu loạn trọng trường mà nó tạo ra. Đây là cách vật chất tối của Sao Thiên Vương được phát hiện: Sao Hải Vương.

Mặt khác, Sao Thủy , hành tinh trong cùng, cũng bắt đầu thể hiện những đặc điểm trái ngược với định luật hấp dẫn – nhờ vào sự gia tăng độ nhạy của các phương pháp quan sát với dữ liệu hàng trăm năm. Trong khi các định luật Kepler dự đoán rằng hành tinh sẽ quay quanh quỹ đạo hình elip hoàn hảo, với Mặt trời ở một tiêu điểm và không có vật thể nào khác trong hệ thống này, thì sao Thủy không quay quanh quỹ đạo hình elip hoàn toàn khép kín. Thay vào đó, hình elip chuyển động quay theo thời gian.

Sau khi trừ đi ảnh hưởng của tất cả các hành tinh khác lên sao Thủy và quỹ đạo của nó, có thêm 43 cung giây –0,012 độ cung – chênh lệch mỗi thế kỷ trong quỹ đạo của sao Thủy, và sự khác biệt này không phải do bất kỳ tính toán sai lầm nào .

Vậy lời giải thích lần này sẽ là gì? Lần này, vật chất không nhìn thấy có lẽ nằm sâu trong đất liền hơn quỹ đạo của Sao Thủy . Hay chính là vấn đề trong luật hấp dẫn? Nghiên cứu về một hành tinh lý thuyết được gọi là Vulcan đã không mang lại kết quả nào. Không có hành tinh nào gần Mặt trời hơn Sao Thủy được tìm thấy. Giải pháp đến với Thuyết Tương đối rộng của Einstein.

Bây giờ chúng ta hãy quay trở lại những năm 1970, những quan sát khoa học được thực hiện bởi Vera Rubin. Chúng tôi đang quan sát nhiều thiên hà. Chúng tôi xem xét cấu hình vận tốc của các ngôi sao trong các thiên hà, đặc biệt là bằng cách quan sát các thiên hà rìa . Chúng ta nhìn thấy các ngôi sao ở một phía của thiên hà đang di chuyển về phía chúng ta (ánh sáng của chúng dịch chuyển về phía bước sóng màu xanh lam), trong khi chúng ta thấy các ngôi sao khác di chuyển ra xa chúng ta (ánh sáng của chúng chuyển dịch về phía bước sóng màu đỏ). Trong các thiên hà, cũng như trong Hệ Mặt trời của chúng ta, chúng ta mong đợi các ngôi sao bên trong hệ thống di chuyển nhanh hơn, trong khi các ngôi sao bên ngoài hệ thống di chuyển chậm hơn. Hơn nữa, các vận tốc sẽ giảm dần khi chúng di chuyển ra khỏi trung tâm của thiên hà. Nhưng đó không phải là viễn cảnh mà chúng ta đang đối mặt.

Tin liên quan:   Quần xã sinh vật rừng rụng lá: Định nghĩa, Đặc điểm, Loại và Lợi ích

Tốc độ của các ngôi sao trong thiên hà không giảm khi chúng di chuyển ra khỏi hệ thống. Thay vào đó, các ngôi sao chuyển động với tốc độ không đổi. Vậy điều gì có thể gây ra tình trạng này? Như chúng ta đã thấy trong các ví dụ trước, có hai lý do có thể dẫn đến điều này: Hoặc là cần có những điều chỉnh nhất định trong luật hấp dẫn; hoặc thêm một khối lượng vô hình mà chúng ta không thể nhìn thấy.

Lý thuyết, được gọi là MOND, Động lực học Newton biến đổi, được Moti Milgrom đưa ra lần đầu tiên vào năm 1981. Theo lý thuyết; Nếu chúng ta thay đổi các định luật của Newton với gia tốc rất nhỏ – một phần nhỏ của nanomet trên giây vuông – thì chúng ta có thể có các đường cong quay được đề cập. Ngoài ra, với cùng một hiệu chỉnh, các đường cong quay của tất cả các thiên hà, từ nhỏ đến lớn, đều có thể được chú thích.

Nhưng mặt khác, trong lý thuyết vật chất tối , chúng ta cần thêm một chất mới vào Mô hình Chuẩn, bao gồm các chất như proton, neutron và electron, được coi là những chất bình thường. Để giải thích hiện tượng quay của các thiên hà, chúng ta cần đề xuất một chất không tương tác với ánh sáng, với chính nó và với vật chất bình thường. Đây là cách mà ý tưởng về vật chất tối ra đời.

vận tốc thiên hà

Nó có thể giải thích các đường cong xoay của vật chất tối , nhưng không tốt như MOND. Các tính toán số lượng các vùng Halo của các thiên hà cho thấy rằng các mô hình vật chất tối đơn giản nhất không đủ phù hợp với các quan sát; Các vùng hào quang cho vẻ ngoài đồng nhất hơn chúng ta mong đợi. Nếu các tham số duy nhất mà chúng ta phải xem xét là các đường cong xoay, thì MOND đã đi trước.

Nhưng chúng ta không chỉ nói về các đường cong quay ở đây, chúng ta đang nói về toàn bộ vũ trụ. Khi bạn muốn thay thế một lý thuyết cũ bằng một lý thuyết mới — chẳng hạn như Thuyết tương đối rộng thay thế các định luật Newton — có ba yêu cầu bạn phải đáp ứng:

  1. Trước hết, lý thuyết mới của bạn phải có thể giải thích tất cả lý thuyết thành công một phần trước đó.
  2. Nó cũng cần có khả năng giải thích hiện tượng mới cần giải thích.
  3. Và cuối cùng, nó cần đưa ra những dự đoán mới có thể được kiểm tra cả bằng thực nghiệm và quan sát. Những dự đoán này cần phải cụ thể đối với lý thuyết được đề cập.
Tin liên quan:   Hiện tượng tự nhiên của Song tinh: Định nghĩa, Quá trình xảy ra và Tác động của nó

Có thể nói lý thuyết trước đây đã có nhiều thành công:

  • Ngoài sự uốn cong do hấp dẫn, được gọi là sự uốn cong của ánh sao bởi khối lượng; hiệu ứng thấu kính hấp dẫn mạnh và yếu,
  • Làm chậm thời gian Shapiro
  • độ trễ thời gian hấp dẫn và dịch chuyển đỏ trọng trường,
  • Lý thuyết Vụ nổ lớn và lý thuyết vũ trụ giãn nở,
  • Chuyển động của các thiên hà trong các cụm thiên hà và chính các cụm thiên hà.

Trong tất cả những điều này, MOND hoặc không thể đưa ra bất kỳ lời giải thích nào hoặc có thể đưa ra những lời giải thích không tương thích với dữ liệu được đề cập. Có lẽ chúng ta có thể nghĩ về MOND như một lời giải thích về một sự kiện có thể dẫn chúng ta đến một lý thuyết, chứ không phải là một lý thuyết. Ngày nay, có nhiều nghiên cứu liên quan đến các lý thuyết mở rộng của MOND. Ví dụ về những điều này; TeVeS (Lực hấp dẫn Tensor-Vector-Vô hướng của Bekenstein), MoG (Lực hấp dẫn được điều chỉnh bởi Jong Moffatt) có thể được đưa ra.

Nhưng nếu bạn lấy lý thuyết hấp dẫn của Einstein và thêm vật chất tối lạnh không tương tác vào nó, thì bạn có thể giải thích tất cả các hiện tượng trong danh sách trên.

Như bạn có thể giải thích các cụm trong cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ; Ngoài ra, bạn có thể giải thích hình dạng đường cong lớn và sự dao động của đường cong nhờ vào lượng vật chất tối nhiều gấp 5 lần vật chất bình thường.

Và thật tuyệt vời, bạn cũng có thể có một phỏng đoán hoàn toàn mới về các thiên hà va chạm: Khi hai thiên hà va chạm, khí bên trong sẽ nóng lên và chậm lại để phát ra tia X (vùng màu hồng trong hình), trong khi khối lượng mà chúng ta có thể nhìn thấy qua lực hấp dẫn hiệu ứng thấu kính (vùng màu xanh lam trong hình), phải theo vật chất tối và tách khỏi tia X. Lý thuyết mới này, ra đời từ các kết quả quan sát, đã xuất hiện trong thập kỷ qua và được coi là một trong những bằng chứng gián tiếp quan trọng nhất cho sự tồn tại của vật chất tối .

va chạm

Có thể nói MOND đã có một thành công quan trọng đối với vật chất tối: MOND giải thích đường cong quay của các thiên hà tốt hơn nhiều so với những gì vật chất tối từng làm được. Tuy nhiên, MOND vẫn chưa phải là một lý thuyết vật lý. Lý do tại sao bạn nghe thuyết vật chất tối nhiều hơn các lý thuyết khác là lý thuyết này có thể cho kết quả hài hòa hơn trong toàn vũ trụ. MOND có thể là manh mối cho một lý thuyết toàn diện hơn về lực hấp dẫn ngày nay.

Nhưng ngày nay, chúng ta có thể nói rằng MOND không phải là ngắn gọn về mặt vũ trụ học. Điều này làm cho nó ít được ưa chuộng hơn vật chất tối . Vì vậy, nó vẫn chưa phải là một sự thay thế đáng tin cậy.

Leave a Comment