Năm thành tố cơ bản của vũ trụ là gì năm 2024

Chúng ta mới chỉ biết được một phần rất nhỏ vật chất cấu tạo nên vũ trụ. Một phần rất lớn được gọi với cái tên "vật chất tối" vẫn chưa được khám phá hoàn toàn.

Cấu tạo nguyên tử của vật chất "thường". Ảnh: Michael Gilbert/SPL

Khi khám phá ra cấu tạo của nguyên tử, các nhà khoa học nghĩ rằng đã hiểu được toàn bộ vật chất cấu tạo nên vũ trụ. Tuy nhiên, vào năm 1933, nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky đưa ra ý kiến rằng phần lớn nguyên liệu cấu thành vũ trụ không phải là vật chất thông thường, mà là một thứ gì đó khác hoàn toàn.

Zwicky đưa ra suy đoán này sau khi quan sát vài nhóm thiên hà có tốc độ quay rất nhanh, nếu chỉ có vật chất thường chúng sẽ bị tứ tán vào khắp vũ trụ do tác động của lực ly tâm. Lực hấp dẫn của tất cả vật chất thường trong các thiên hà đó không đủ để giữ chúng ổn định.

Các nhà khoa học sau này dùng thuật ngữ "vật chất tối" để chỉ nhóm vật chất này. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, ý tưởng của Zwicky bị coi là lập dị và không được nghiên cứu kỹ lưỡng.

"Người ta coi ông là một nhà bác học điên, cố nghĩ ra một loại vật chất mới khi không thể lý giải được hiện tượng bằng các lực thông thường," tiến sĩ Richard Massey, thuộc Đại học Durham, nói.

Luận điểm của Zwicky bị lãng quên cho tới những năm 1970, khi nhà thiên văn học Vera Rubin phát hiện ra rằng các thiên hà ở gần chúng ta không quay theo cách bình thường.

Trong hệ Mặt Trời, có một quy luật đơn giản. Càng xa Mặt Trời thì tốc độ quay của các hành tinh càng chậm, do lực hấp dẫn yếu dần. Quy luật này lẽ ra cũng phải đúng với các ngôi sao quay xung quanh trung tâm thiên hà. Các ngôi sao xa nhất sẽ phải di chuyển chậm nhất.

Tuy nhiên, theo Rubin quan sát, các ngôi sao ở xa cũng quay quanh tâm thiên hà nhanh như các ngôi sao ở gần. Và vì tốc độ quay lớn, nên chắc chắn phải có một thứ gì đó giữ nó trên quỹ đạo, không bị văng ra ngoài. Các nhà thiên văn hiện nay đều thống nhất rằng "thứ gì đó" chính là vật chất tối, thành phần cơ bản cấu tạo nên vũ trụ.

Fritz Zwicky, người đầu tiên đề xuất lý thuyết vật chất tối. Ảnh: Emilio Segre Visual Archives

Cách đây gần 14 tỷ năm, sau vụ nổ Big Bang, vũ trụ bắt đầu giãn nở nhanh và các cụm thiên hà được hình thành. Lúc đó, vật chất tối như một cái neo vô hình, giữ cho vũ trụ không bị giãn nở quá nhanh và các thiên hà không bị tứ tán. Có thể tưởng tượng vật chất tối giống như gió, con người không nhìn thấy nhưng biết nó có tồn tại. Ước tính vật chất tối chiếm khoảng 25% vũ trụ. Và chỉ khoảng 30% của vũ trụ là vật chất, phần còn lại là năng lượng.

Những bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của vật chất tối bắt đầu xuất hiện vào những năm 1980. Vào năm 1981, nhóm nghiên cứu của Đại học Havard phát hiện ra rằng các thiên hà không được sắp xếp theo một hình mẫu thống nhất. Thay vào đó, chúng tụ tập thành từng cụm lớn, mỗi cụm có hàng trăm tới hàng nghìn thiên hà, tạo thành các "mạng lưới vũ trụ". Các mạng lưới này được gắn với nhau nhờ vật chất tối. Nói cách khác, vật chất tối là một "khung xương" để treo các vật chất thông thường, theo tiến sĩ Carolin Crawford, Đại học Cambridge.

"Vào thưở vũ trụ sơ khai, vật chất tối có vai trò rất quan trọng trong việc giữ các cụm thiên hà không bị phân tán, để rồi từ đó vũ trụ phát triển như ta thấy ngày nay," bà nói.

Cụm thiên hà Fornax, được giữ ổn định bởi vật chất tối. Ảnh: NASA/JPL

Về bản chất của vật chất tối, lúc đầu người ta nghĩ nó là các hạt neutrino. Đây là các hạt "tối" bí ẩn, hầu như không tương tác với bất kỳ hạt nào khác. Các nhà nghiên cứu đề xuất ý tưởng tổng khối lượng tất cả các neutrino trong vũ trụ chính là phần khối lượng hấp dẫn còn thiếu để cân bằng. Tuy nhiên, nếu vậy thì neutrino sẽ là "vật chất tối nóng", có nghĩa là chúng rất nhẹ và có tốc độ di chuyển cao.

Tiến sĩ Carlos Frenk, Đại học Durham khi thử mô phỏng vũ trụ với vật chất tối nóng đã thấy rằng giả thuyết này không thể xảy ra. "Vũ trụ với vật chất tối nóng khác hoàn toàn với vũ trụ thực," ông cho biết. Từ đây, các nhà khoa học đi đến kết luận rằng vật chất tối phải "lạnh" và di chuyển chậm.

Từ vị trí đặc quyền trên bầu khí quyển Trái Đất, kính thiên văn Hubble đã có những đóng góp đáng kể vào lĩnh vực nghiên cứu này.

Tất cả các ngôi sao vũ trụ hoạt động như các nhà máy tái chế khổng lồ lấy các nguyên tố hóa học nhẹ và biến chúng thành những nguyên tố nặng hơn.Thành phần sơ khai, hay nguyên thủy, của vũ trụ được nghiên cứu chi tiết như vậy bởi vì nó là một trong những chìa khóa cho sự hiểu biết của chúng ta về những quá trình xảy ra tại những thời điểm đầu tiên của Vũ Trụ.

Helium trong vũ trụ sơ khai

Ngay sau Nhiệm vụ Phục vụ đầu tiên, hiệu chỉnh thành công cầu sai trong gương của Hubble, một nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi nhà thiên văn học người Châu Âu Peter Jakobsen đã điều tra bản chất của chất khí đang lấp đầy các khoảng trống khổng lồ giữa các thiên hà. Bằng cách quan sát ánh sáng cực tím từ một chuẩn tinh xa xôi, thứ sau đó sẽ bị hấp thụ bởi khí quyển Trái Đất, họ đã tìm thấy dấu hiệu tìm kiếm từ lâu của Helium trong vũ trụ sơ khai. Đây là một bằng chứng quan trọng hỗ trợ cho lý thuyết Vụ Nổ lớn. Nó cũng khẳng định sự kỳ vọng của các nhà khoa học rằng, trong Vũ trụ ban đầu, vật chất chưa bị nhốt trong các ngôi sao, và các thiên hà gần như hoàn toàn bị i-on hoá (nguyên tử bị tước các electron của chúng). Đây là một bước tiến quan trọng của vũ trụ học.

Chuẩn tinh- những ngọn hải đăng của vũ trụ

Cuộc nghiên cứu về Helium trong Vũ trụ sơ khai này là một trong nhiều cách mà Hubble sử dụng các chuẩn tinh xa như những ngọn hải đăng. Khi ánh sáng từ các chuẩn tinh đi xuyên qua vật chất cản trở nằm giữa các thiên hà, tín hiệu ánh sáng sẽ bị thay đổi và sẽ tiết lộ thành phần của chất khí đó.

Các kết quả này đã lấp đầy những mảnh ghép quan trọng trong câu đố về toàn bộ thành phần của Vũ trụ hiện nay và trong quá khứ.

Hình 1: Máy Quang phổ Nguồn gốc Vũ trụ (The Cosmic Origins Spectrograph) được thiết kế để nghiên cứu cấu tạo và cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ (Nguồn: https://cos.colorado.edu/)

Trong Nhiệm vụ Phục vụ năm 2009, các phi hành gia đã lắp đặt một dụng cụ mới để nghiên cứu lĩnh vực này. Máy quang phổ Nguồn gốc Vũ trụ được thiết kế để tách ánh sáng cực tím từ các chuẩn tinh xa thành các bước sóng thành phần của nó và nghiên cứu liệu bằng cách nào mà các vật chất cản trở đã hấp thụ một vài bước sóng nhất định mà không phải là các bước sóng khác. Điều này tiết lộ đặc trưng của các nguyên tố khác nhau, cho chúng ta biết nhiều hơn về sự đa dạng của chúng ở các vị trí khác nhau trong Vũ trụ.

Vật chất tối

Ngày nay các nhà thiên văn học tin rằng khoảng một phần tư khối lượng-năng lượng của Vũ trụ là vật chất tối. Đây là một vật chất khá khác với vật chất thông thường tạo bởi các nguyên tử và thế giới quen thuộc xung quanh chúng ta. Kính thiên văn Hubble đã đóng một vai trò quan trọng trong công việc xác định lượng vật chất tối trong Vũ trụ và xác định chúng ở đâu và chúng hoạt động như thế nào.

Câu đố về những gì mà bóng ma vật chất tối được tạo thành vẫn được bỏ ngỏ, nhưng những quan sát cực kỳ sắc nét của kính thiên văn Hubble về thấu kính hấp dẫn đã cung cấp những bước đệm chắc chắn cho tương lai của lĩnh vực này.

Vật chất tối chỉ tương tác với trọng lực, nghĩa là nó không phản xạ, bức xạ hoặc cản trở ánh sáng (hay bất kỳ loại bức xạ điện từ nào khác). Do đó, nó không thể được quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, nghiên cứu của Hubble về cách các nhóm thiên hà uốn cong ánh sáng đi qua chúng cho phép các nhà thiên văn giải thích nơi mà khối lượng vô hình này đang ẩn giấu. Điều này có nghĩa là họ có thể lập bản đồ về vị trí vật chất tối tồn tại trong một cụm thiên hà.

Hình 2: Bức ảnh tổng hợp của Hubble / Chandra / VLT này cho thấy vật chất tối (màu xanh) và khí nóng (màu hồng) đứng tách biệt ra sao trong một cụm va chạm.

Một trong những đột phá lớn của Hubble trong lĩnh vực này là khám phá ra vật chất tối hoạt động như thế nào khi các cụm thiên hà va chạm với nhau. Các nghiên cứu về số lượng các cụm thiên hà này đã chỉ ra vị trí của vật chất tối (như hệ quả bởi thấu kính hấp dẫn với Hubble) không trùng khớp với sự phân bố của khí nóng (như các vị trí tia X bởi các quan sát như XMM-Newton của ESA hay Chandra của NASA ). Điều này ủng hộ mạnh mẽ các lý thuyết về vật chất tối: chúng tôi cho rằng khí nóng sẽ giảm tốc độ khi chúng va vào nhau và áp suất tăng lên. Vật chất tối, mặt khác, không chịu tác động của ma sát hay áp suất, vì vậy chúng ta hy vọng nó sẽ vượt qua va chạm một cách tương đối không bị cản trở. Quan sát của Hubble và Chandra đã thực sự xác nhận rằng đây là trường hợp mà chúng ta đang nói đến.

Bản đồ 3 chiều về sự phân bố vật chất tối trong Vũ trụ

Năm 2007, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã sử dụng Hubble để tạo ra bản đồ ba chiều đầu tiên về sự phân bố trên quy mô lớn của vật chất tối trong Vũ trụ. Nó được xây dựng bằng cách xác định hình dạng của một nửa triệu thiên hà được quan sát bởi Hubble. Ánh sáng của các thiên hà này di chuyển – cho đến khi nó chạm đến Hubble- theo một con đường bị gián đoạn bởi các khối vật chất tối, điều làm biến dạng sự xuất hiện của các thiên hà. Các nhà thiên văn học đã sử dụng sự biến dạng quan sát được của các của thiên hà để tái tạo hình dạng ban đầu của chúng và sau đó có thể tính toán sự phân bố của vật chất tối ở giữa các thiên hà này.

Bản đồ này cho thấy vật chất thông thường, chủ yếu dưới dạng các thiên hà, tích tụ dọc theo những nơi mật độ cao nhất của vật chất tối. Bản đồ được tạo ra trải dài ngược dòng thời gian đến tận nửa đầu của Vũ trụ và cho thấy cách vật chất tối gia tăng thành cụm khi nó sụp đổ dưới trọng lực. Việc lập bản đồ phân bố vật chất tối tới những quy mô nhỏ hơn là cơ sở cho sự hiểu biết của chúng ta về cách thức các thiên hà phát triển và tập trung trong hàng tỷ năm. Theo dõi sự tăng trưởng của sự tập hợp trong vật chất tối cuối cùng cũng có thể làm sáng tỏ năng lượng tối.

Năng lượng tối

Hấp dẫn hơn cả vật chất tối là năng lượng tối. Các nghiên cứu của kính thiên văn Hubble về tốc độ giãn nở của vũ trụ đã cho thấy sự giãn nở này thực sự đang diễn ra nhanh hơn. Các nhà thiên văn học đã giải thích điều này bằng cách sử dụng lý thuyết năng lượng tối, yếu tố đẩy sự giãn nở của vũ trụ nhanh hơn bao giờ hết, chống lại sức kéo của trọng lực.

Theo phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc2 cho chúng ta biết, năng lượng và khối lượng có thể hoán đổi cho nhau. Các nghiên cứu về tốc độ giãn nở vũ trụ cho thấy năng lượng tối là phần lớn nhất của năng-khối lượng của vũ trụ, vượt xa cả vật chất bình thường và vật chất tối: dường như năng lượng tối tạo thành gần 70% Vũ trụ mà chúng ta đã biết.

Trong khi các nhà thiên văn học đã có thể thực hiện các bước dọc theo con đường tìm hiểu năng lượng tối hoạt động như thế nào và nó làm gì, thì bản chất thực sự của nó vẫn còn là một bí ẩn.

Theo đạo Phật Ai là người tạo ra vũ trụ?

Theo một vài tôn giáo thì vũ trụ được thành lập bởi Thượng Đế. Điều này hoàn toàn không có cơ sở nên chúng ta không thể tin được. Đạo Phật không chấp nhận có một Thượng Đế đã tạo ra tất cả. Theo Đức Phật, trái đất và sự sống muôn loài do nhiều yếu tố, nhiều nhân duyên, nhiều điều kiện tạo thành.

Vũ trụ có nguồn gốc từ đâu?

Vũ trụ sinh ra từ đâu? Theo các nhà khoa học, vũ trụ sinh ra từ một vụ nổ lớn (big bang) và vẫn đang không ngừng nở ra, mở rộng thêm.

Vũ trụ được hình thành trong thời gian bao lâu?

Thời gian biểu của sự hình thành và phát triển của vũ trụ mô tả lịch sử vũ trụ và tương lai của vũ trụ theo thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang theory). Người ta ước tính quá trình mở rộng metric của không gian đã khơi mào từ 13,8 tỷ năm trước. Thời gian xuất hiện từ thời khắc Big Bang xảy ra được gọi là thời gian vũ trụ.

Cái gì đã tạo ra vũ trụ?

Từ góc độ vĩ mô, vũ trụ được tạo ra từ hư không Điểm kỳ dị bắt đầu từ vụ nổ lớn cách đây 13,8 tỷ năm, trải qua giai đoạn lạm phát và giãn nở nhanh chóng. Hiện tại, nó vẫn đang giãn nở với tốc độ nhanh gấp vài lần tốc độ ánh sáng, và trở thành một vũ trụ có thể quan sát được, với bán kính khoảng 46,5 tỷ năm ánh sáng.