Vũ trụ được sinh ra như thế nào?

Trải qua hàng chục năm qua qua, các nhà vũ trụ học đã sử dụng vô số các dữ liệu quan sát để tạo nên mô hình chuẩn của vũ trụ. Đây là mô hình về lịch sử và cấu trúc của vũ trụ.

Mô hình chuẩn vũ trụ

Mô hình chuẩn của vũ trụ

Vũ trụ được sinh ra cách đây khoảng 13,8 tỷ năm. Nó bắt đầu giản nở từ một trạng thái cực kỳ đặc và nóng được gọi là điểm kỳ dị. Kể từ đó, vũ trụ đã trải qua thời gian dài của quá trình giản nở và lạnh dần cho đến trạng thái như ngày nay.

Ở thời điểm $10^{-34}$ giây đầu tiên của lịch sử, vũ trụ đã giản nở vô cùng nhanh được gọi là “lạm phát”. Do dao động lượng tử trong khoảng thời gian này, vũ trụ đã sinh ra các dao động về mật độ vật chất trong vũ trụ mà sau này trở thành “hạt giống” hình thành nên cấu trúc vũ trụ.

Vũ trụ sơ khai giống như một “bát súp” của vật chất và năng lượng. Thời điểm đó các cặp vật chất và phản vật chất liên tục được sinh ra và triệt tiêu lẫn nhau. Khi vũ trụ bắt đầu lạnh dần đến thời điểm mà không thể sinh ra một số loại cặp hạt cơ bản chẳng hạn như cặp proton/antiproton dừng lại tại thời điểm vũ trụ khoảng vài tỷ tỷ độ Kelvin, trong khi cặp electron/positron tiếp tục được tạo thành và triệt tiêu cho đến khi nhiệt độ vũ trụ còn khoảng vài triệu độ Kelvin. Sau thời điểm này các cặp hạt và phản hạt nhanh chóng triệt tiêu nhau và chỉ còn lại một số tồn tại. Khi quá trình này xảy ra đối với một số loại hạt, các hạt này được gọi là bị “đóng băng” lại. Nguyên nhân của việc chỉ còn lại ít các vật chất trong vũ trụ ngày này là bởi quá trình “baryongenesis” mà ngày nay chúng ta vẫn chưa hiểu rõ, đã gây ra sự bất đối xứng trong vật lý vật chất và phản vật chất.

Trong suốt 10 phút đầu tiên của vũ trụ, một số các nguyên tố nhẹ như Deuterium (một đồng vị nặng của Hydro), helium-3, helium-4, và lithium-7 đã được tạo ra bởi quá trình kết hợp các proto và neutron tự do trong quá trình baryogenesis. Quá tình hình thành các nguyên tố nhẹ được gọi là “Tổng hợp hạt nhân Big Bang”.

Bức xạ phông nền vi sóng vũ trụ được quan sát bởi vệ tinh WMAP. Ảnh: Nasa

Sau khoảng 100.000 năm, vũ trụ trở nên lạnh hơn chỉ còn khoảng vài ngàn độ Kelvin, đủ lạnh để các hạt nhân và electron bắt đầu kết hợp với nhau tạo thành các phân tử. Quá trình này xảy ra trong một khoảng thời gian được gọi là “thời kỳ tái kết hợp”. Sau thời kỳ này, vũ trụ trở nên “trong suốt” hơn, tạo điều kiện cho ánh sáng có thể di chuyển ở khoảng cách lớn. Ánh sáng được tạo ra ở thời kỳ này mà ngày này chúng ta quan sát được ở bước sóng micromet được gọi là “Bức xạ phông nền vi sóng vũ trụ”. Ở thời kỳ này, vật chất tối đã được hình thành và suy sụp lại hình thành trong các quầng giống như trong quâng mặt trời (vật chất tối không quat sát được trực tiếp như vật chất thông thường).

Các thiên hà, các vì sao đã bắt đầu được hình thành sau đó khoảng vài trăm triệu năm khi mà các khí và bụi vật chất suy sụp và tụ lại với nhau.

Các thành phần của vũ trụ ngày nay:

Vật chất thông thường (baryonic): khoảng 5% khối lượng của vũ trụ. Đây là vật chất cơ bản hình thành nên proton, neutron và các electron. Nó là thành phần của khí, bụi, các vì sao, các hành tinh, hay kể cả con người,…

Vật chất tối: 25%. Đây được gọi là “khối lượng bị thiếu hụt” của vũ trụ. Vật chất tối là các quầng bao quanh các thiên hà, cụm thiên hà, và là thành thần chính hình thành nên cấu trúc của vũ trụ.

Năng lượng tối: 70 % của vũ trụ. Bằng các quan sát thông qua các vũ nổ siêu tân tinh ở khoảng cách vô cùng xa, các nhà vũ trụ học đã khám phá ra rằng vũ trụ đang giản nở ngày càng nhanh hơn theo thời gian. Các nhà vũ trụ học tin rằng sự gia tốc giản nỡ của vũ trụ được gây ra bởi một loại năng lượng bí ẩn mà có lẽ chính là “hằng số vũ trụ” được Eistein tưởng tượng và đưa vào phương trình vũ trụ cách đây khoảng 100 năm. Các nhà khoa học gọi đó là năng lượng tối.