LẠM PHÁT VŨ TRỤ
LẠM PHÁT
VŨ TRỤ
Lịch sử tóm tắt của vũ trụ
Hình 1. Lịch sử
tóm tắt của vũ trụ: các thời kỳ và thời điểm tương ứng
Vũ trụ đã trải qua những thời
kỳ sau (xem minh hoạ ở hình 1)
1 / Thời kỳ Hấp
dẫn lượng tử (kéo dài đến thời điểm 10-43 giây),
2 / Thời kỳ Thống
nhất lớn (kéo dài đến thời điểm 10-34 giây),
3 / Thời kỳ Vũ
trụ lạm phát, trong thời kỳ này phát sinh các nhiễu loạn và
SHD (sóng hấp dẫn).Tiếp theo là thời kỳ
điện yếu (kéo dài đến thời điểm
10-10 giây),
4 / Thời kỳ ngự
trị của Bức xạ (Radiation dominated era) (kéo dài đến thời
điểm 10 2 giây),
5 / Sau đó là thời kỳ ngự trị của vật chất
(Matter dominated era)(kéo dài đến
thời điểm 10 13 giây). Trong
thời kỳ này hình thành các nguyên tử, bức
xạ và vật chất tách rời nhau, CMB (Cosmic
Microwave Background-Bức
xạ phông) xuất hiện,
6 / Sau thời kỳ
này vũ trụ chuyển sang trạng thái trong (transparent) đối với
photon,
7 / Thời kỳ hình
thành các sao và thiên hà,
8 / Thời kỳ hiện
tại.
Những nhiễu loạn gây nên bởi
lạm phát
Thời kỳ lạm phát (thời kỳ 3 trên hình vẽ 1) gây ra
2 loại nhiễu loạn quan trọng: vô hướng (mật độ) và tensor (SHD). Nhiễu loạn
vector mau chóng phân rã nên không được xét đến.
Nhiễu
loạn vô hướng được cảm ứng bởi các
bất đồng nhất năng lượng mật độ . Những nhiễu loạn này quan trọng vì đó sẽ là
mầm của các cấu trúc vũ trụ trong tương lai.
Những nhiễu loạn tensor ứng
với SHD.
Hai nhiễu loạn vô hướng và
tensor có thể được xác định bởi sự
tiến triển của một hàm vô hướng 
gọi là inflaton
thoả mãn điều kiện gọi là “lăn chậm” (slow roll).
Nhiễu loạn vô hướng
Lạm phát vũ trụ
Lạm phát (inflation) là hiện tượng
vũ trụ dãn nở cực nhanh trong một thời đoạn vào buổi sơ sinh của vũ trụ.Giai đoạn sơ sinh của vũ trụ quan trọng nhất là những
thăng giáng lượng tử trong thời kỳ lạm phát.Trong lạm phát những thăng giáng
lượng tử vi mô sẽ tỏa rộng lên kích thước vĩ mô tạo nên mầm cho những cấu trúc
kích thước lớn như các thiên hà
Hiện chưa có một lý thuyết hoàn chỉnh về lạm phát
song dường như các nhà vật lý thiên về giả thuyết ngưng tụ của một trường vô hướng của hạt inflaton.
Ngày 17 tháng 3/2014 các nhà
vật lý của thí nghiệm BICEP2 ( Background
Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (California Institute
of Technology) ở Nam Cực đã thông báo tìm ra dấu vết đầu tiên của lạm phát
vũ trụ (Cosmic inflation) và sóng hấp dẫn (Gravitational
wave)[5].
Song những dữ liệu do vệ tinh
Planck (dự án của ESA-European Space Agency) cung cấp đã gây nên nghi vấn liệu tín hiệu ghi đo bởi Bicep2 có
thật sự thuộc về CMB (Cosmic Microwave Background) hay đó là thuộc bụi thiên hà
nằm trên phông ( Galactic Dust Foreground) tức là thuộc về những giai đoạn sau
này trong lịch sử vũ trụ. Rất có thể bụi thiên hà đã tạo nên tất cả hoặc phần
lớn tín hiệu phân cực của Bicep2.
Hình 2 . Biến thiên của hàm V
Thống kê không thuộc Gauss (Non-gaussianities)
Ở phần
trên ta đã nói đến các hàm correlation hai điểm,đó là các phổ công suất 
.
Song các phổ gắn liền với hai điểm chỉ cho ta những thông
tin về phân bố gọi là phân bố Gauss.Những thông tin về phân bố Gauss không cho
phép chúng ta tìm hiểu được những mô hình lạm phát.
Các tính toán của các nhà vật lý chứng tỏ rằng các thiên hà
và các cấu trúc khác dường như không phân bố từng đôi một (ứng với Gauss) mà
thay vì có khuynh hướng sắp xếp thành những cấu hình phức tạp hơn: tam giác
,chữ nhật, ngũ giác , … và các hình dạng khác (ứng với non-Gaussianities).
Các trường inflaton, hấp dẫn và mọi trường khác khả dĩ hiện
hữu lúc sơ sinh của vũ trụ : các hạt trong các trường này biến đổi qua nhau và
tán xạ lẫn nhau tạo nên những tam giác và các hình khác .(tương tự những hòn
billard trên bàn )
Hình3.Theo
lý thuyết lạm phát lúc vũ trụ sơ sinh xuất hiện nhiều cặp hạt, một số cặp hạt phân
rã thành 3 hạt inflaton tạo nên cấu hình tam giác (ứng với bispectrum).
Các tam giác sẽ dẫn đến 3 điểm nóng trên CMB và tiếp theo
cụm 3 thiên hà . Các tam giác đó và các hình khác tạo nên những type hình dạng
trong giai đoạn lạm phát.LSS=Large Scale Structure.
Một số mô hình
Hiện nay có rất nhiều
mô hình cho lạm phát . Sau đây là các mô hình chính:
3/ Mô hình curvaton
(Curvaton model)
Ngoài trường inflaton có một trường vô hường light( light có
nghĩa là khối lượng nhẹ ) cũng thu được các thăng giáng lượng tử . Nếu mật độ
năng lượng của trường vô hướng này nhỏ trong quá trình lạm phát thì các thăng
giáng đó là gọi là thăng giáng isocurvature.Trường vô hướng có được các thăng
giáng này gọi là trường curvaton.
4/ Mô hình theo
dạng các hạng số động học (Kinetic term)
5/ DBI
(Dirac-Born-Infeld)
Kết quả thực nghiệm so sánh
với lý thuyết
Một số dữ liệu thực nghiệm [8]
KẾT LUẬN
Bài viết này chỉ nêu được một
số mô hình lạm phát và cũng chỉ giới hạn đến các hàm correlation 3 điểm (tam
giác).
Hiện nay thì các nhà vật lý
thực nghiệm đang truy tìm trên bầu trời vũ trụ những cấu hình như tam giác (ứng
với các hàm correlation 3 điểm) và các hình dạng phức tạp hơn (ứng với các hàm
correlation nhiều điểm hơn) để thu dữ liệu cơ sở nhằm xây dựng hoàn thiện giả
thuyết lạm phát , một giả thuyết quan
trọng để hiểu các giai đoạn sơ sinh của vũ trụ.
Cũng cần nhấn mạnh rằng giả
thuyết lạm phát có khả năng nối liền vũ trụ học (cosmology) với lý thuyết các
trường lượng tử (Quantum field theory ).
Tài liệu tham khảo
[1] StevenWeinberg, Cosmology,
[2] Juan Maldacena,Non-gaussian
features of primordial fluctuations in
single field
inflationary models
[3] Sasaki ,Standard slow roll inflation
https://www.apctp.org/conferences/2010/awspc5/file/sasaki2.pdf
[4] Pascal Vaudrevange, Slow
roll inflation
http://www.desy.de/~westphal/workshop_seminar_fall_2010/slow_roll_inflation.pdf
[5] Natalie Wolchover,Physicists Hunt
for the Big Bang’s Triangles
https://www.quantamagazine.org/20160419-string-inflation-triangles/
[6] Daniel Baumann,The
Physics of Inflation
A Course for Graduate
Students in Particle Physics and Cosmology
[7]E. Komatsu et al.,Non-Gaussianity
as a Probe of the Physics of the Primordial
Universe and the
Astrophysics of the Low Redshift Universe
[8] Tomo Takahashi,Primordial
non-Gaussianity and the inflationary Universe
Prog. Theor. Exp. Phys.2014, 06B105 (31 pages)
DOI: 10.1093/ptep/ptu060
Nhận xét
Đăng nhận xét