Làm thế nào để tạo ra một vũ trụ
(How to make a universe)
Paul M. Sutter*
Bạn muốn khám phá những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ ư? Hãy bắt đầu bằng cách khám phá những điều cơ bản của vũ trụ học, nghiên cứu về toàn bộ vũ trụ của chúng ta.
Vật chất tối, năng lượng tối và thành phần tùy chọn**
Giả sử rằng, bạn muốn “nung” một vũ trụ, bạn cần phải có hai thành phần thiết yếu và một thành phần tùy chọn. Để có được một vũ trụ, bạn cần khoảng 25% vật chất tối và 70% năng lượng tối . Vật chất tối là một số dạng vật chất hoàn toàn không nhìn thấy được; bất kể nó là gì, nó không tương tác với ánh sáng. Chúng ta không biết chính xác vật chất tối được tạo thành từ gì, nhưng chúng ta biết nó thông qua các cơ chế hấp dẫn và tương tác với mọi thứ khác.
Các nhà thiên văn học lập bản đồ vật chất tối một cách gián tiếp, thông qua lực hấp dẫn của nó lên các vật thể khác. Bên cạnh vật chất tối, bạn sẽ cần một đống năng lượng tối lớn, điều này thậm chí còn bí ẩn hơn. Năng lượng tối là tên mà chúng ta đặt cho sự giãn nở có gia tốc quan sát được của vũ trụ – tức là vũ trụ đang trở nên lớn hơn với tốc độ nhanh hơn mỗi ngày trôi qua. Với đủ vật chất tối và năng lượng tối, bạn có thể chiếm 95% nội dung của vũ trụ trong phần lớn lịch sử của nó.
Vậy còn thành phần tùy chọn? Đó là tất cả những vật chất bình thường – cái mà các nhà vũ trụ học gọi là vật chất “baryonic” – như proton và neutron. Đó là tất cả những thứ kết hợp thành nguyên tử và phân tử, con người và hành tinh, các ngôi sao và thiên hà. Tất cả các vật chất hữu hình của vũ trụ không thực sự quan trọng. Nhưng nó tạo ra những ánh sáng đẹp trên bầu trời đêm, vì vậy đó là một phần thưởng tuyệt vời.
Mạng tối vũ trụ
Vũ trụ ngày nay bao hàm: một chút vật chất bình thường, rất nhiều vật chất tối và một lượng năng lượng tối khổng lồ. Năng lượng tối bận rộn xé toạc vũ trụ theo từng đường nối nhưng mặt khác không thực sự tham gia vào cuộc sống vũ trụ hàng ngày.
Vật chất tối kết tụ với nhau thành một mô hình giống như mạng lưới rộng lớn, phức tạp – được gọi là “mạng vũ trụ”. Có những quả cầu khổng lồ của vật chất tối có đường kính một triệu năm ánh sáng trở lên. Có những sợi dây dài, hoặc sợi, của vật chất tối kéo dài giữa những quả bóng đó. Có những sa mạc đáng kinh ngạc – khoảng trống vũ trụ – gần như hoàn toàn không có gì trong đó. Nhưng ngoài việc cung cấp xương sống của cấu trúc trong vũ trụ, vật chất tối không thực sự làm được gì khác. Rốt cuộc thì trời tối – không có khả năng tương tác với ánh sáng – nên nó chỉ nằm yên ở đó.
Một lượng nhỏ vật chất bình thường bị mắc kẹt trong mạng tối đó. Các đám vật chất tối nhỏ, được gọi là quầng sáng, chứa một thiên hà duy nhất. Những quả bóng khổng lồ chứa nhiều thiên hà – cái mà chúng ta gọi là một cụm thiên hà. Các sợi tơ này là nơi sinh sống của các chuỗi thiên hà di chuyển qua các năm ánh sáng.
Mạng vũ trụ là mô hình lớn nhất duy nhất được tìm thấy trong tự nhiên, lấp đầy toàn bộ vũ trụ có thể quan sát được. Bạn có thể hỏi vũ trụ quan sát được đó lớn đến mức nào? Các ước tính hiện tại ghim nó vào khoảng 90 tỷ năm ánh sáng, mặc dù kích thước thực của vũ trụ có lẽ còn lớn hơn rất nhiều.
Vũ trụ đang giản nở
Vậy làm thế nào mà vũ trụ ngày nay lại trở thành vũ trụ ngày nay? Làm thế nào chúng ta có được tất cả vật chất tối này được sắp xếp trong một mạng vũ trụ khổng lồ? Một trăm năm trước, nhân loại đã từng có một khám phá đáng chú ý: Vũ trụ đang giãn nở.
Mỗi ngày, các thiên hà ngày càng xa nhau. Điều này có nghĩa là vũ trụ trong quá khứ đã khác, và cũng khác rất nhiều trong quá khứ xa xưa, rằng 13,77 tỷ năm trước, toàn bộ vũ trụ có thể quan sát được có kích thước bằng một quả đào và có nhiệt độ hơn một tỷ độ.
Vậy làm sao chúng ta có thể biết được điều gì đó mạnh mẽ về vũ trụ khi mà chúng ta đang ngồi ở đây, trên Trái đất này ? Chúng ta có thể nói điều đó vì chúng ta có các bằng chứng về điều đó.
Chúng ta biết rằng nếu trước đây vũ trụ thực sự nhỏ và bây giờ nó thực sự lớn, thì trước đây vũ trụ phải nóng hơn bây giờ rất nhiều (bởi vì tất cả cùng một thứ được nhồi nhét vào một khối lượng nhỏ hơn nhiều). Vào một giai đoạn nào đó trong lịch sử vũ trụ, toàn bộ vũ trụ phải là một plasma***, với rất ít electron*** * bị xé ra khỏi ngôi nhà nguyên tử của chúng. Nhưng tại một số thời điểm quan trọng, vũ trụ phải đủ lớn và đủ lạnh để các nguyên tử đầu tiên hình thành, giải phóng một loạt bức xạ nóng trắng trong quá trình này. Bức xạ đó vẫn tồn tại cho đến ngày nay, nơi nó gieo rắc vũ trụ trong một ánh sáng bức xạ vi ba ít cường độ hơn nhiều.
Chúng ta có thể thấy bức xạ vi sóng bằng kính thiên văn vi sóng, và cho đến nay, nó là nguồn ánh sáng lớn nhất trong vũ trụ. Đó là di tích của Vụ nổ lớn (Big Bang – tên mà chúng ta đặt cho mô hình vũ trụ nhỏ hơn trong quá khứ này), ngay trên bầu trời, đêm này qua đêm khác.
Và vâng, nó là vật chất bình thường chịu trách nhiệm giải phóng bức xạ đó. Vì vậy, mặc dù vật chất bình thường chỉ là một thành phần nhỏ của vũ trụ, nó vẫn khá quan trọng.
Hạnh Thục (lược dịch, biên tập và chú giải)
*Paul M. Sutter là nhà vật lý thiên văn tại SUNY Stony Brook và Viện Flatiron, người dẫn chương trình Ask a Spaceman và Space Radio , đồng thời là tác giả của cuốn How to Die in Space (Tạm dịch: Làm thế nào để chết trong không gian) .
** Trong bài này các tiểu mục chúng tôi đặt lại cho dễ hiểu.
***Theo Wikipedia tiếng Việt: “Plasma là một trạng thái vật chất trong đó một chất khí khi bị ion hóa trở nên dẫn điện cao đến mức điện trường và từ trường tầm xa chi phối hoạt động của vật chất.”
****Electron là một hạt nguyên tử mà điện tích của nó bằng trừ một điện tích cơ bản.
