Vũ trụ bao la đã truyền cảm hứng cho nhiều nhà thiên văn học nổi tiếng. Tuy nhiên, dù đã dành cả đời cho vùng tối sâu thẳm này, họ vẫn chưa khám phá hết các bí ẩn của nó. Dưới đây là những phát hiện vượt xa tầm tưởng tượng và hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.

Vũ trụ là toàn bộ hệ thống không-thời gian trong đó chúng ta đang sống, chứa toàn bộ vật chất và năng lượng. Ở thang vĩ mô Vũ trụ bao gồm tất cả các thiên hà. Ở thang vi mô Vũ trụ bao gồm tất cả các nguyên tử và các hạt cơ bản cấu thành nên mọi dạng tồn tại của thế giới vật chất.

Ra đời: Lý thuyết Vụ Nổ Lớn:

Theo lý thuyết này, Vụ Nổ Lớn xảy ra xấp xỉ cách nay 13,798 ± 0,037 tỷ năm trước, bắt nguồn từ một trạng thái vô cùng đặc và vô cùng nóng (điểm dưới cùng). Một lý giải thường gặp đó là không gian tự nó đang giãn nở, khiến các thiên hà đang lùi ra xa lẫn nhau, giống như các điểm trên quả bóng thổi phồng. Hình này minh họa vũ trụ phẳng đang giãn nở.

Đa vũ trụ: Có giả thuyết là có nhiều vũ trụ cùng tồn tại, trong một cấu trúc ở mức độ cao hơn gọi là đa vũ trụ (multiverse). Vũ Trụ của chúng ta chỉ là một trong số các vũ trụ trong đa vũ trụ. Ví dụ, vật chất rơi vào hố đen trong Vũ Trụ của chúng ta sẽ có thể hiện ra thành "Vụ Nổ Lớn" bắt đầu một vũ trụ khác. Tuy vậy các giả thuyết kiểu này hiện không thể có gì kiểm chứng được. Ngoài ra vì vũ trụ rộng lớn hơn mấy tỷ năm ánh sáng nên chúng ta không có đủ nguyên liệu để tìm hiểu xem sức lớn của vũ trụ. Tuy nhiên, theo tính toán thì có giả thiết cho rằng có tất cả 4 mức đa vũ trụ.

Phản vũ trụ: Phản vũ trụ (phản thế giới) là giả thiết về một vũ trụ cấu thành bởi các thành phần phản vật chất, có thể tuân theo những nguyên tắc vật lý khác với các nguyên tắc vật lý chúng ta hiện có. Phản vũ trụ là một không gian được cấu thành từ các thành phần phản vật chất. Nó không có những tính chất vật lý như chúng ta đã biết. Tính chất của phản vũ trụ hoàn toàn trái ngược với vũ trụ của chúng ta. Nó tồn tại song song với vũ trụ của chúng ta nhưng cách xa. Nó được hình thành cùng với vụ nổ lớn. Trường hợp khi phản vũ trụ trên gần với vũ trụ chúng ta thì sẽ tạo nên một không gian mới đó là không gian phi vật chất, khi đó vũ trụ chúng ta sẽ biến mất.

Cấu tạo của vũ trụ

Vũ trụ mà ta biết bao gồm vô số các vì sao. Mỗi vì sao là một thiên thể phát sáng, như mặt trời của chúng ta.

Quay quanh mỗi vì sao có các hành tinh, các thiên thạch, sao chổi, theo những quỹ đạo ellip lấy sao làm tiêu điểm, nhờ tương tác của lực hấp dẫn. Quay quanh mỗi hành tinh có các vệ tinh, các vành đai hoặc đám bụi. Mỗi vì sao tạo ra quanh nó một hệ mặt trời, như hệ mặt trời của chúng ta.

Hàng tỷ hệ mặt trời tụ lại thành một đám, do lực hấp dẫn, tạo ra một thiên hà. Thiên hà của chúng ta được gọi là Ngân hà hay Milky Way, là một trong số hàng tỷ thiên hà trong vũ trụ quan sát được, thiên hà của chúng ta gồm 1011 ngôi sao, có hình đĩa dẹt xoắn ốc, bán kính khoảng = 45.000nas

(nas = năm ánh sáng = 365,25x24x60x60x300.000 =9,5.1012km).

Mỗi hệ mặt trời quay quanh tâm thiên hà với tốc độ hàng trăm km/s. Hệ mặt trời của chúng ta nằm trên rìa ngoài của Ngân hà, cách tâm khoảng 30.000nas, và quay quanh tâm Ngân hà với vận tốc:

vMT= 230km/s.

Vũ trụ mà ta quan sát được hiện nay chứa khoảng 10 tỷ thiên hà, có bán kính 3.1025m, chứa khoảng 1020 ngôi sao với tổng khối lượng khoảng 1050kg.

Sự vận động và dãn nở của vũ trụ

Để tồn tại dưới tác dụng của lực hấp dẫn, các thiên thể trong vũ trụ phải chuyển động không ngừng. Các hành tinh tự xoay quanh mình và quay quanh mặt trời với tốc độ vài chục km/s, các mặt trời quay quanh tâm thiên hà với tốc độ hàng trăm km/s, các thiên hà quay quanh tâm đại thiên hà với tốc độ hàng nghìn km/s.

Năm 1923, khi sử dụng kính thiên văn vô tuyến ghi phổ bức xạ phát ra từ các thiên hà, Edwin Hubble nhận thấy các vạch quang phổ luôn dịch chuyển về phía bước sóng  dài, phía màu đỏ. Hiện tượng dịch về phía đỏ của bức xạ được giải thích bằng hiệu ứng Doppler, là do các thiên thể phát bức xạ đang chuyển động ra xa nơi thu bức xạ, chuyển động rời xa nhau của các thiên hà được phát hiện thấy theo mọi phương, với vận tốc tăng dần theo khoảng cách giữa chúng. Như vậy, các thiên thể trong vũ trụ đang rời xa nhau, và vũ trụ đang dãn nở như quả bóng đang được thổi căng ra.

Định luật Hubble

Dựa vào thực nghiệm, Edwin Hubble mô tả sự dãn nở của vũ trụ bằng định luật sau: Mọi thiên thể trong vũ trụ đang chuyển động ra xa nhau với vận tốc

\to ω

tỷ lệ thuận với khoảng cách r giữa chúng:

\to ω

= -H.

\to r

, với H 25km/s.106nas là hằng số Hubble.

Thực tế hằng số Hubble chưa thể xác định chính xác, chỉ biết nó nằm trong khoảng (1530)km/s.106nas.

Sự hình thành vũ trụ và hệ mặt trời

Thuyết Big Bang

Thực nghiệm cho biết vũ trụ đang dãn nở, các thiên thể đang rời xa nhau. Vậy nếu đi ngược lại thời gian, các thiên thể sẽ tiến lại gần nhau, thể tích vũ trụ sẽ co dần lại. Tại một thời điểm nào đó, toàn bộ vũ trụ sẽ co lại thành một chất điểm, có khối lượng, năng lượng và nhiệt độ vô cùng lớn.

Dựa trên lý luận này, George Lemaitre người Bỉ và sau đó George Gamow cùng Alexandre Priedmann người Nga, bằng các phép tính có cơ sở vật lý đúng đắn, đã nêu ra học thuyết về sự hình thành của vũ trụ, gọi là thuyết Big Bang. Thuyết này cho rằng vũ trụ được sinh ra cách đây khoảng 15 tỷ năm từ một quả trứng cực nhỏ, có khối lượng (M), năng lượng (E) và nhiệt độ (T) cực lớn bởi một vụ nổ lớn gọi là Big Bang. Vụ nổ này tạo ra không gian - thời gian và toàn bộ Vũ trụ, theo quá trình dãn nở như sau:

Bảng 1.1. Tóm tắt lịch sử của Vũ trụ

Thời gian	Nhiệt độT (K)	Thành phần của Vũ trụ	Đặc điểm của Vũ trụ
 10-43s	T1032K	Một chất điểm có M, E, T cực lớn	1 siêu lực, r = 10-35m
10-35s	1027K	Chân không lượng tử, trường năng lượng đồng nhất	2 lực: Điện hạt nhân (HN), hấp dẫn (HD)
10-32s	1025K	Dãn nở tạo không gian, ngưng kết	3 lực: HN, điện từ (ĐT) và HD
10-12s	1015K	Nhiệt độ giảm, tạo hạt quarks	3 lực: HN, ĐT và HD
10-6s	1013K	Tạo photon, điện tử, lepton	4 lực: HN, ĐT, Từ trường yế và HD
3phút	106K	Tạo proton, neutron	P = uud, n = udd
3.105năm	104K	Tạo nhân H, He	He = 2p2n, hạt nhân H
109 năm	102K	Tạo khí H2, He, tinh vân và các thiên hà	Có khí H2, tinh vân
1010năm	10 K	Tạo mặt trời, hệ MT, tạo các nguyên tố nặng	Có thiên hà, các sao, hành tinh
12.109n	7 K	Tạo khí quyển, lục địa, núi	Tạo nguyên tố nặng, sao thứ cấp, núi
14.109 n	5 K	Tạo nước, đại dương, vi khuẩn, tảo, sinh vật	Có nước, đại dương, sinh vật
15.109n	3 K	Tạo động vật, khỉ, người	Sinh vật cao, khỉ, người

Sự hình thành hệ mặt trời

Một tỷ năm sau vụ nổ Big Bang, Vũ trụ dãn nở làm nhiệt độ giảm đến 100K. Lúc này các nhân H, He kết hợp với điện tử tạo ra phân tử khí H2, He. Các khí này quây tụ thành từng đám trong thiên hà. Từ mỗi đám bụi này, do tác dụng của lực hấp dẫn, sẽ dần dần hình thành một hệ mặt trời.

Hệ mặt trời của ta thuộc thế hệ thứ 3, được sinh ra từ một đám mây bụi và khí có kích thước hàng ngàn tỷ kilômét.

Dưới tác dụng của lực hấp dẫn, đám mây bắt đầu co lại, dẹt đi, và tâm của nó trở nên đặc và nóng dần, đến mức có thể khởi phát các phản ứng hạt nhân và trở thành mặt trời. Khí và bụi ít đặc hơn phía ngoài sẽ quay quanh mặt trời, kết thành các vành đai, ngưng tụ thành các hành tinh và tiểu hành tinh. Phần khí loãng quanh hành tinh cũng ngưng kết theo cách tương tự để tạo ra các vệ tinh quay quanh hành tinh.

Cấu tạo và các thông số của hệ mặt trời

Hệ mặt trời gồm có mặt trời và 9 hành tinh quay quanh nó, theo các quỹ đạo ellip gần tròn. Vòng trong có 4 hành tinh dạng rắn là sao Thủy, sao Kim, quả Đất, sao Hỏa, vòng ngoài có 5 hành tinh dạng khí là sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương, sao Hải Vương, sao Diêm Vương.

Giữa sao Hỏa và sao Mộc có một vành đai gồm các tiểu hành tinh với đường kính từ vài chục mét tới vài trăm kilômét.

Các hành tinh đều có từ 1 đến 22 vệ tinh, trừ sao Thủy và sao Kim. Ngoài ra còn có một số sao chổi, gồm một nhân rắn chứa bụi và nước đá với một đuôi hơi nước kéo dài hàng triệu kilômét quay quanh mặt trời theo quỹ đạo ellip rất dẹt.

Bảng 1.2 .Các thông số của các thiên thể trong hệ mặt trời

Tên thiên thể	M 1024 kg	d106 m	 103 kg/m3	r 1011 m	t0C	gm/s	n ngày(n)	Nnăm (N)	vkm/h	Thành phần	Số vệ tinh
Mặt trời-Sun	2.106	1391	1,4	0	6000	274	26n	-	(618)	H, He	(65)
Thủy - MercuryKim - VenusĐất - EarthHỏa - Mars	0,334,575,980,64	4,8812,112,766,79	5,75,35,54,0	0,581,081,502,27	173545-50	3,788,609,813,72	58n243n1n1n	88n225n365,25n687n	48353024	Fe, SiFe SiFe SiFe Si	0012
Mộc - JupiterThô ̉- SaturnThVương-UranusHVương-NeptuneDVương-Pluto	1900598871035,5	14312151502,3	1,30,71,61,72,03	7,7714,328,745,059,1	-150-180-214-220-230	22,89,057,7711,04,37	9h10h10h15h6n	11N30N84N165N248N	1310754,7	H, HeH, HeH, HeCH4,NH3H2O,Si	16221581
Trăng-Moon	0,073	3,47	3,4	3,74.10-3	-170+130	1,63	27n7h43’	365,25	(1)	Fe Si	-

Tương lai của vũ trụ

Trên cơ sở của vật lý thiên văn hiện đại, có thể dự báo tương lai của vũ trụ theo một trong ba kịch bản sau và phụ thuộc vào mật độ trung bình  của vũ trụ, là một thông số hiện nay chưa xác định chính xác, so với mật độ tới hạn 0= 5.10-27 kg/m3, bằng cỡ ba nguyên tử hidro trong 1 m3.

Nếu  < 0 thì vật thể dãn nở không giới hạn, bán kính r tăng đến vô cùng, nhiệt độ tiến tới 0oK, gọi là mô hình vật thể mở.

Theo kịch bản này, Mặt trời của chúng ta sẽ tắt hẳn sau hơn 5 tỷ năm nữa, biến thành một xác sao sắt hình cầu. Các thế hệ sao liên tiếp được sinh ra, tiêu hủy hết các hạt nhân nhẹ.

Sau 1012 năm, tất cả mọi ngôi sao đều tắt, vũ trụ sẽ là một không gian bao la, đen tối và lạnh lẽo, chứa các xác sao dạng quả cầu sắt, neutron hoặc lỗ đen và các hành tinh lạnh.

Sau 1018 năm, dưới tác động lâu dài của lực hấp dẫn, mỗi thiên hà sẽ bị phân hủy thành các xác sao tự do và một lỗ đen thiên hà, có đường kính hàng tỷ km và khối lượng cỡ 109.M0 (Mo = 2.103kg là khối lượng mặt trời)

Sau 1027 năm, các lỗ đen trong các đám thiên hà sẽ phân hủy thành các siêu thiên hà. Vũ trụ tiếp tục dãn nở, nhiệt độ hạ thấp đến 10-10 K, đủ lạnh để các lỗ đen bắt đầu bay hơi. Các lỗ đen cỡ mặt trời sẽ bay hơi hết sau 1062 năm, lỗ đen thiên hà biến mất sau 1092 năm, và lỗ đen siêu thiên hà sẽ bay hơi hết thành ánh sáng sau 10100 năm. Lúc này Vũ trụ chỉ còn các quả cầu sắt, neutron và các hành tinh lưu lạc trong không gian bao la, đen tối, nhiệt độ cỡ10-60 K.

Sau 101500 năm, nhiệt độ vũ trụ là 10-1000 K, toàn bộ vật chất ở ngoài các sao neutron sẽ co lại thành các quả cầu sắt. Tiếp theo đó, các sao neutron và quả cầu sắt sẽ co lại thành các lỗ đen. Các lỗ đen cuối cùng sẽ bay hơi hết thành ánh sáng sau 1010exp70 năm. Hình bóng cuối cùng của Vũ trụ là một khoảng không vô hạn chứa các hạt photon và neutrino, có mật độ và nhiệt độ tiến dần tới không.

Theo những thông tin mới nhất, Vũ trụ của ta có thể phát triển theo kịch bản này.

nếu  = 0 thì Vũ trụ sẽ dãn nở chậm dần, tiến tới một bán kính ổn định sau thời gian lâu vô hạn gọi là mô hình Vũ trụ phẳng. Các quá trình trong Vũ trụ phẳng tương tự như trong Vũ trụ mở, nhưng xảy ra chậm dần và tiến tới ổn định lúc thời gian tiến đến vô cùng.
Nếu  > 0 thì Vũ trụ sẽ dãn nở chậm dần, đạt bán kính r cực đại, sau đó co lại ngày càng nhanh, tạo ra vụ sụp đổ lớn, gọi là Big Crunch. Kịch bản này gọi là mô hình Vũ trụ kín. Gia tốc và thời gian nở - co sẽ phụ thuộc tỉ số /0. Theo tính toán, Vũ trụ có /0=2 sẽ xảy ra các quá trình sau :

Quá trình dãn nở chậm dần, xảy ra trong khoảng 50 tỷ năm. Mặt trời của ta sẽ diễn tiếp kịch bản như trong Vũ trụ mở. Các vì sao tiếp tục sinh ra và chết đi, nhiệt độ Vũ trụ giảm dần.

Vào năm thứ 50 tỷ, Vũ trụ có bán kính cực đại, gấp ba lần hiện nay, nhiệt độ bằng 1 K, lúc này lực hấp dẫn cân bằng với lực dãn nở do Big Bang tạo ra, quá trình dãn nở dừng lại. Sau đó quá trình co lại được khởi động, các thiên thể bắt đầu rơi về phía nhau, với gia tốc tăng dần. Năm thứ 99 tỷ, Vũ trụ co lại còn 1/5 kích thước hiện nay, lúc đó các đám thiên hà sẽ hợp lại thành một đám duy nhất. Vũ trụ co tiếp 900 triệu năm sau đó, các thiên hà hợp nhất, tạo ra một không gian bằng 1/100 kích thước Vũ trụ hiện nay, với nhiệt độ nền T 300K, chứa đầy các sao. Sau đó 99 triệu năm, Vũ trụ co lại còn 1/1000 kích thước hiện nay và nhiệt độ nền T=3000K. Sau 900.000 năm nữa, nhiệt độ Vũ trụ đạt T=104K, các sao bắt đầu bay hơi, các nguyên tử bị phân hủy thành các hạt nhân và điện tử, chiếm đầy không gian. Vũ trụ lúc này là một vật đục duy nhất, như lúc 300.000 năm đầu tiên của nó. 90.000 năm tiếp theo, vũ trụ đạt nhiệt độ 107K, gây phản ứng hạt nhân trong các sao, làm nổ trong các sao. Nhiệt độ tiếp tục tăng làm các hạt nhân phân hủy thành proton và neutron, các lỗ đen hút nhau và hút các vật chất xung quanh.

Sau 103 năm tiếp theo, nhiệt độ Vũ trụ đạt T >1012K, phá huỷ các proton, neutron để tạo ra món xúp nóng gồm các hạt quarks, neutrino và các phản hạt. Một năm sau đó, là năm cuối cùng, Vũ trụ co lại đến đường kính r =10-30cm, nhiệt độ T=1032K, như lúc khởi đầu Big Bang, tạo ra vụ Big Crunch. Các quá trình sâu xa hơn không thể ngoại suy theo các định luật vật lý đã biết.

Rất có thể, sau khi co tới trạng thái tới hạn cực nhỏ nào đó, Vũ trụ lại bùng phát một phản ứng tức thời biến toàn bộ vật chất thành năng lượng, tạo ra vụ Big Bang mới, lặp lại chu kỳ tiếp theo của Vũ trụ.

Xem thêm: Sẽ thế nào nếu trái đất ngừng quay ? Những điều có thể bạn chưa biết về Nước 27 ngọn hải đăng ngoạn mục và kỳ vĩ nhất trên thế giới

LIKE and SHARE this article: