Vũ trụ sinh ra từ , 1 điểm nóng và đặc không thể tưởng tượng được. Khi vũ trụ chỉ mới 10-34 giây tuổi – tức là một phần trăm của một phần tỷ của một phần nghìn tỷ của một phần nghìn tỷ của 1 giây – chúng trải qua 1 vụ nổ đáng kinh ngạc của sự giãn nở được gọi là sự lạm phát, ở đó, không gian tự nó giãn nở nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng.

Trong suốt giai đoạn này, vũ trụ tự nhân đôi kích thước của chúng ít nhất 90 lần, nhảy từ qui mô hạt hạ nguyên tử tới kích thước của quá bóng gôn gần như ngay lập tức.

Theo NASA, sau giai đoạn lạm phát, sự tăng trưởng của vũ trụ vẫn tiếp tục, nhưng tới tốc độ chậm dần. Khi không gian giãn nở, vũ trụ trở nên lạnh hơn và vật chất được hình thành. 1 giây sau Vụ Nổ Lớn, vũ trụ được lấp đầy bởi neutron, proton, electron, phản electron, photon và neutrino.

Trong suốt 3 phút đầu tiên của vũ trụ, các hạt ánh sáng được sinh ra trong một quá trình gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn. Nhiệt độ bị lạnh đi từ 100 nonillion (1032) độ Kelvin xuống còn1 tỉ (109) độ Kelvin, proton và neutron va chạm với nhau để tạo thành deuterium, một đồng vị của hydrogen.
Hầu hết deuterium được tổng hợp để tạo thành helium và 1 lượng nhỏ lithium cũng được hình thành.

Trong suốt 380000 năm đầu tiên, vũ trụ về cơ bản quá nóng để ánh sáng phát sáng, theo Trung tâm nghiên cứu vũ trụ Quốc gia Pháp (Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ Quốc gia Pháp, CNES). Lượng nhiệt của quá trình hình thành khiến các nguyên tử lao vào nhau với lực đủ lớn để phá hủy chúng thành plasma đặc, hình thành 1 nồi súp đặc đục ngầu của proton, neutron và electron khiến ánh sáng tán xạ như màn sương mù.

Khoảng 380000 năm sau Vụ Nổ Lớn, vật chất lạnh đi đủ cho nguyên tử hình thành trong suốt kỉ nguyên tái tổ hợp, kết quả là sự hình thành khí trung tính và trong suốt, theo NASA. Điều này đã giải phóng cho những tia sáng đầu tiên được hình thành trong Vụ Nổ Lớn, thứ mà ngày nay đã được phát hiện là bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Tuy nhiên, sau thời điểm này, vũ trụ ngập sâu vào bóng tối, khi chưa có 1 ngôi sao hay bất kì vật thể sáng nào được hình thành. Khoảng 400 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn, vũ trụ bắt đầu thoát khỏi thời kì đen tối trong kỉ nguyên tái i-on hóa. Trong suốt thời kì kéo dài hơn một nửa tỉ năm này, các đám khí co lại đủ để hình thành các ngôi sao và thiên hà đầu tiên, ánh sáng tử ngoại mạnh mẽ của chúng i-on hóa và phá hủy hầu hết các hydro trung trung tính.

Mặc dù sự giãn nở của vũ trụ đã chậm lại đáng kể từ khi vật chất trong vũ trụ hút lẫn nhau nhờ vào lực hấp dẫn, khoảng 5 hoặc 6 tỉ năm sau Vụ Nổ Lớn, theo NASA, một nguồn lực bí ẩn mà ngày nay gọi là năng lượng tối bắt đầu tăng tốc lại sự giãn nở của vũ trụ, một hiện tượng vẫn đang tiếp tục cho tới ngày nay.

Một khoảng thời gian ngắn sau 9 tỉ năm sau Vụ Nổ Lớn, Hệ Mặt Trời của chúng ta được hình thành.

Vụ Nổ Lớn

Vụ Nổ Lớn không xảy ra như là một vụ nổ thông thường mà mọi người vẫn nghĩ khi suy ra từ tên của nó. Vũ trụ không mở rộng ra vào không gian, khi mà không gian không tồn tại trước vũ trụ, theo NASA. Thay vào đó, sẽ tốt hơn khi nghĩ rằng Vụ Nổ Lớn là sự xuất hiện đồng thời của không gian ở khắp mọi nơi trong vũ trụ. Vũ trụ không mở rộng từ một điểm nào kể từ Vụ Nổ Lớn – mà đúng hơn, không gian tự nó bị kéo căng, và mang theo vật chất theo nó.

Kể từ khi vũ trụ mà định nghĩa của nó bao gồm tất cả không gian và thời gian như chúng ta biết, còn khi nói đến vũ trụ đang giãn nở vào cái gì hoặc cái gì đã dẫn tới Vụ Nổ Lớn thì điều đó vượt ra ngoài mô hình của Vụ Nổ Lớn, theo NASA. Mặc dù có nhiều mô hình đưa ra các suy đoán về những nghi vấn này, thì vẫn không có một mô hình nào có sự dự đoán khả dĩ chính xác về nó

Năm 2014, các nhà khoa học từ Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard - Smithsonian đã tuyên bố rằng họ đã phát hiện ra các tín hiệu yếu ớt trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ có thể là bằng chứng rõ ràng đầu tiên của sóng hấp dẫn, được xem như là 1 cú hích tạo ra Vụ Nổ Lớn. Phát hiện này vấp phải những tranh luận sôi nổi quanh nó, nhưng các nghiên cứu về những gợn sóng bí ẩn này vẫn được tiếp tục

Cụm sao cầu NGC 6397 chứa khoảng 400000 ngôi sao ở vị trí cách 7200 năm ánh sáng về phía nam chòm sao Ara. Với dự đoán tuổi của chúng là 13,5 tỉ năm, chúng có thể nằm trong số các vật thể đầu tiên của thiên hà được hình thành sau Vụ Nổ Lớn.
Credit: Europe Southern Osbervatory

Tuổi của vũ trụ

Vũ trụ được dự đoán mới đây có tuổi đời xấp xỉ 13,8 tỉ năm, thêm hoặc bớt đi 130 triệu năm. Để so sánh, tuổi của hệ Mặt Trời chỉ khoảng 4.6 tỉ năm.

Các dự đoán đến từ các đo đạc thành phần vật chất và mật độ năng lượng trong vũ trụ. Nó cho phép các nhà nghiên cứu tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ trong quá khứ. Cùng với kiến thức đó, họ có thể quay ngược thời gian và suy đoán khi nào Vụ Nổ Lớn xảy ra. Thời gian giữa lúc đó và hiện nay là tuổi của vũ trụ.

Cấu trúc

Các nhà khoa học nghĩ rằng trong những khoảnh khắc sớm nhất của vũ trụ, không có một cấu trúc nào được biểu hiện, bởi vì vật chất và năng lượng được phân bố rất gần nhau 1 cách đồng nhất trong khắp vũ trụ. Theo NASA, lực hấp dẫn hút các thăng giáng nhỏ trong mật độ vật chất lại với nhau sau đó làm phát triển chúng thành cấu trúc dạng lưới rộng lớn của các ngôi sao và các vùng trống rỗng như hiện nay. Các khu vực đậm đặc hút nhiều vật chất hơn nhờ vào lực hấp dẫn khiến khối lượng chúng tăng lên, vật chất lại càng bị hút vào nhiều hơn dưới lực hấp dẫn dẫn đến sự hình thành các ngôi sao, thiên hà và cấu trúc rộng được biết tới như các cụm thiên hà, siêu quần thiên hà, các sợi và bức tường thiên hà, với “bức tường vĩ đại” chứa hàng ngàn thiên hà trải dài hơn một tỷ năm ánh sáng. Những khu vực ít đậm đặc hơn không lớn lên và trở thành vùng không gian rỗng được gọi là khu vực trống.

Thành phần cấu tạo

Cho tới khoảng 30 năm trước, các nhà thiên văn học nghĩ rằng vũ trụ được cấu thành hầu hết từ các nguyên tử thông thường, hoặc “vật chất thông thường,” theo NASA. Tuy nhiên, gần đây đã có nhiều bằng chứng cho rằng phần lớn ,mthành phần tạo nên vũ trụ đến từ các dạng mà chúng ta không thể nhìn thấy.

Thật ra các nguyên tử chỉ chiếm 4,6% trong vũ trụ. Còn lại, 23% được tạo thành từ vật chất tối, có thể chúng được tổng hợp từ 1 hoặc nhiều loại hạt hạ nguyên tử tương tác rất yếu với vật chất thông thường, và 72% là năng lượng tối, được cho là nguyên nhân gia tốc sự giãn nở của vũ trụ.

Khi nói tới các nguyên tử quen thuộc, hydro chiếm khoảng 75%, trong khi heli chiếm khoảng 25%,với các nguyên tố nặng hơn chỉ chiếm 1 phần nhỏ của nguyên tử trong vũ trụ, theo NASA.

Kích thước

Kích thước của vũ trụ có có hay không, phạm vi của nó là hữu hạn hay vô hạn dựa vào sự giằng co giữa độ lớn của sự giãn nở và sức hút của lực hấp dẫn. Độ lớn của sức hút phụ thuộc vào mật độ vật chất trong vũ trụ.

Nếu mật độ của vũ trụ vượt quá giá trị giới hạn riêng, vũ trụ sẽ “đóng” và có “độ cong dương” như bề mặt của hình cầu. Có nghĩa là tia ánh sáng ban đầu song song sẽ hội tụ dần, cuối cùng vượt qua và trở lại điểm bắt đầu của nó, nếu vũ trụ tồn tại đủ lâu.Nếu thế, vũ trụ sẽ không vô hạn nhưng cũng không có kết thúc, như khu vực trên bề mặt hình cầu, nó không vô hạn nhưng cũng không có điểm bắt đầu hay kết thúc để nói về chúng. Vũ trụ như vậy sẽ thực sự ngừng giãn nở và bắt đầu tự co sập lại, được gọi là “Vụ co lớn”.

Nếu mật độ của vũ trụ ít hơn mật độ tới hạn trên, dạng hình học của không gian là “mở” và có “độ cong âm” như bề mặt của yên ngựa. Nếu vậy, vũ trụ sẽ không có biên giới, và sẽ giãn nở mãi mãi.

Nếu mật độ của vũ trụ chính xác bằng mật độ tới hạn, dạng hình học của vũ trụ sẽ là “phẳng” với độ cong bằng 0 như mặt phẳng của tờ giấy, theo NASA. Theo đó, vũ trụ sẽ không có biên giới và sẽ giãn nở mãi mãi, nhưng với tốc độ giãn độ từ từ tiến tới 0 sau lượng thời gian vô hạn. Các đo đạc mới đây cho thấy vũ trụ là phẳng chỉ với sai số là 2%.

Có thể vũ trụ có nhiều hình dạng tổng quát phức tạp hơn trong khi dường như nó có các độ cong khác nhau. Ví dụ, vũ trụ có thể là hình xuyến hoặc hình bánh donut.

Sự giãn nở của vũ trụ

Trong những năm 1920, nhà thiên văn học Edwin Hubble đã khám phá ra vũ trụ không tĩnh. Hơn nữa, nó đang giãn nở, phát hiện này cho thấy vũ trụ dường như đã được sinh ra nhờ Vụ Nổ Lớn.

Sau đó, có một thời gian dài người ta nghĩ rằng lực hấp dẫn của vật chất trong vũ trụ chắc chắn đã làm chậm lại sự giãn nở của vũ trụ. Mãi đến năm 1998, các quan sát của Kính viễn vọng Không gian Hubble về các vụ nổ siêu sao mới xa xôi đã cho thấy rằng một thời gian dài về trước, vũ trụ đã giãn nở chậm hơn nhiều so với ngày nay. Theo một nghĩa khác, sự giãn nở của vũ trụ không chậm lại vì lực hấp dẫn, thay vào đó, nó đang tăng tốc mà không ai giải thích được.
Tên của lực bí ẩn gây ra sự tăng tốc giãn nở này là năng lượng tối, và đó là 1 trong những bí ẩn thú vị nhất trong khoa học.

Nguồn: Space.com

Tham khảo

Sinh viên cử nhân ngành Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (2016 - 2019).

Bài viết xem nhiều