Các quan sát về vũ trụ hiện nay cho thấy nĩ là một khơng-thời gian phẳng (trên thang vĩ mơ) chứa mật độ năng lượng-khối lượng 9,9 × 10-30 gam trên xentimét khối. Trong đĩ cĩ 73% năng lượng tối (suy từ hình dạng khơng thời gian), 23% vật chất tối (suy từ quỹ đạo cả các thiên hà và đo đặc về lỗ đen) và 4% các nguyên tố hĩa học (suy từ quan sát các thiên thể phát ra ánh sáng hay bức xạ điện từ) Bản chất của vật chất tối và năng lượng tối vẫn chưa được hiểu kỹ. Trong thời kỳ đầu của Vụ Nổ Lớn, vật chất thơng thường và phản vật chất cùng được sinh ra với khối lượng bằng nhau. Tuy nhiên, do vi phạm đối xứng CP, lượng vật chất thơng thường dần chiếm tỷ lệ cao hơn. Phần vật chất và phản vật chất cịn lại tự hủy cặp với nhau để sinh ra photon, và vũ trụ cịn lại lượng vật chất thơng thường dư thừa như ngày nay.
Trước khi những sao đầu tiên hình thành, thành phần hĩa học của vũ trụ chứa chủ yếu hydro (75% khối lượng tổng cộng), và một phần helium-4 (4He) (24% khối lượng tổng cộng) cùng với một chút các nguyên tố hoá học còn lại. Một lượng nhỏ là đồng vị đơtơri, 3He và liti (7Li). Sau đĩ, qua các thế hệ sao sinh ra và chết đi, khơng gian giữa các sao được bổ sung thêm các sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạch, thường được phĩng ra bởi các vụ nổ của siêu tân tinh, giĩ sao.. Vụ Nổ Lớn cịn để là một lượng lớn các photon (ở dạng bức xạ nền đã quan sát được) và neutrino. Nhiệt độ của bức xạ nền giảm đều đặn khi vũ trụ nở ra, và nay xuống cịn 2,725 K, ứng với cực đại bức xạ ở sĩng vi ba. Mật độ của nền neutrino ngày nay vào khoảng 150 hạt trên xentimét khối.
Cấu trúc vĩ mơ của vũ trụ
Kết quả chụp của WMAP về bức xạ phơng vi sĩng vũ trụ đã gợi ý rằng vũ trụ khá phẳng và do đĩ khơng đa liên thơng
Hình dáng vũ trụ là một câu hỏi quan trọng trong vũ trụ học.
Câu hỏi đầu tiên là vũ trụ của chúng ta "phẳng" và tuân thủ hình học Euclid trên khoảng cách vĩ mơ, hay khơng? Hiện nay, đa số các nhà vũ trụ học tin là vũ trụ quan sát được khá phẳng, chỉ cĩ những chỗ khơng-thời gian méo địa phương do sự tập trung mật độ vật chất cao bất thường (như ở hố đen). Nhận xét này được củng cố bởi bằng chứng thực nghiệm của WMAP, một thí nghiệm nhìn vào "dao động" của phơng vi sĩng vũ trụ.
Câu hỏi thứ hai là vũ trụ của chúng ta cĩ đa liên thơng hay khơng? Theo mơ hình của Vụ Nổ Lớn, vũ trụ của chúng ta khơng cĩ biên giới, nhưng vẫn cĩ thể chỉ chứa lượng khơng gian hữu hạn. Điều này tương tự như bề mặt của hình cầu: bề mặt này khơng cĩ biên giới, nhưng diện tích bề mặt hữu hạn (4πR2); chúng ta đi trên bề mặt này theo một "đường thẳng" thì rồi sẽ lại vịng về chỗ cũ. Ví dụ ba chiều tương đương gọi là "khơng gian cầu" khám phá bởi Bernhard Riemann, với thể tích (2π2R3). Nếu vũ trụ của ta cũng tương tự vậy, khi ta đi theo "đường thẳng", ta sẽ trở lại điểm xuất phát sau khi đã đi hết "chu vi" của vũ trụ. Điều này cũng dẫn đến một kết quả thú vị là ta cĩ thể nhìn thấy nhiều ảnh của cùng một ngơi sao, do ánh sáng từ nĩ cĩ thể đi nhiều vịng quanh vũ trụ trước khi đến mắt ta (tương tự như nhiều ảnh của một ngọn nến nằm giữa hai gương song song). Câu hỏi này cịn chưa được trả lời một cách dứt khốt, nhưng với kết quả về vũ trụ phẳng, khả năng về một vũ trụ đa liên thơng là thấp.
VIII. Nguyên nhân về sự giãn nỡ của vũ trụ.
Năng lượng tối – một dạng vật chất bí ẩn mà người ta nghĩ rằng nĩ là nguyên nhân làm cho
sự giản nỡ vũ trụ nhanh hơn – cĩ thể là kết quả của 8 trường tương tác thơng qua cơ chế “seesaw”. Đây là khảng định của các nhà vật lý tại Phần Lan và Đan Mạch, họ nĩi rằng các trường sẽ được thể hiện bởi một hạt đơn, rất nhẹ.
Địch thủ lớn nhất dành cho năng lượng tối là hằng số vũ trụ, dự đốn các biến thiên lượng tử (quantum fluctuations) tồn tại trong chân khơng cĩ thể tạo ra một mật độ năng lượng khơng đổi thơng qua khơng gian. Nhưng một đối thủ năng lượng tối khác đĩ là quintessence ở quy mơ lớn – một trường vơ hướng với áp suất âm – sẽ vượt qua lực hấp dẫn trọng trường.
Năng lượng tối chiếm gần ¾ vũ trụ nhưng các nhà vật lý vẫn cịn xa mới cĩ thể đạt được sự đồng thuận nĩ là gì. Các nhà nghiên cứu từ Đại Học Helsinki, Phần Lan và Đại Học Aarhus, Đan Mạch nghĩ rằng nĩ cĩ thể là một sản phẩm của tương tác giữa 8 trường vơ hướng trong một dạng ý tưởng của “quintessence”.
Khơng giống như các hằng số vũ trụ, quintessence sẽ biến đổi theo thời gian, vì vậy giải thích tại sao sự giãn nở nhanh trở nên đáng kể trong quá khứ cách đây gần 5 tỉ năm. Khơng may rằng khối lượng của phần tử giống hạt (particle-like) liên quan với trường vơ hướng quintessence sẽ nhỏ hơn 38 lần so với electron, và do đĩ dễ dàng bị phá hủy hồn tồn bởi các biến thiên chân khơng.
Tuy nhiên Kari Enqvist từ Đại Học Helsinki và cộng sự từ Đại Học Aarhus cho biết, họ cĩ thể giải quyết vấn đề này bằng cách vay mượn một ý tưởng từ vật lý hạt, điều này giải thích tại sao neutrinos trong Mơ Hình Chuẩn được quan sát cĩ khối lượng cực nhỏ nhưng khơng phải là zero. Ý tưởng này gọi là cơ chế seesaw, nĩ giả thiết rằng các neutrino quay trái (left – handed) quan sát được – là các neutrino mà spin của nĩ song song, ngược hướng so với mơmen – cĩ thể cĩ được một khối lượng nhỏ nếu các phương trình được “cân
bằng” bởi các neutrino quay phải, nặng hơn rất nhiều.
Nhưng để giải thích quintessence với cơ chế seesaw, Enqvist và các cộng sự nĩi rằng, bạn sẽ khơng chỉ cần 2 loại hạt, ngồi ra cịn cĩ 8 trường vơ hướng khác nhau. Mỗi một trường sẽ liên quan với một hạt lớn khối lượng 1 TeV hoặc hơn, nhưng sẽ tương tác để tạo thành một hạt quintessence đơn cĩ tính chất “vật lý” với khối lượng rất nhỏ. Quan trọng là hạt này sẽ được bảo vệ tránh khỏi các biến thiên chân khơng bởi vì chúng sẽ chỉ tác động lên tất cả 8 trường như một trường tồn vẹn.
Mặc dù 8 trường cĩ lẽ gây ra một điều gì cường điệu, nhưng chúng sẽ chỉ cĩ những tính chất đúng để giải thích sự thời kỳ phồng lên sơ khai của vũ trụ khi mà sự giãn nở theo cấp số mũ. Theo Martin Sloth – một trong các nhà nghiên cứu của Đại Học Aarhus – điều này cĩ nghĩa là các quan sát tương lai của nền sĩng vi ba vũ trụ (cosmic microwave background) – sự bức xạ bắt đầu từ kỷ nguyên sau khi phồng lên – cĩ thể hình thành nên một lý thuyết xác suất mới.
Josh Frieman, nhà vật lý tiên phong nêu bật lên vấn đề khối lượng của các hạt quịntessence nhỏ, nĩi với physicsworld.com: “Giải thích năng lượng tối là một vấn đề thách thức… Một điều giá trị
hiển nhiên chính là nghiên cứu những ý tưởng như thế này”.
Nĩi về khả năng cĩ thể của 8 chiều, ơng bổ sung thêm: “Đĩ cĩ thể là một sự giải thích đúng đắn,
nhưng ai cũng cĩ thể hi vọng rằng đến cuối cùng thì tự nhiên cũng khơng quá keo kiệt.”
Damap
Năng lượng tối
Khác hẳn với vật chất tối, năng lượng tối (dark energy) là loại năng lượng ẩn chứa trong khơng gian trống rỗng của vũ trụ. Nĩ được suy ra từ kết quả của phương
trình trường Einstein, phương trình nổi tiếng của thuyết tương đối rộng (general theory of relativity). Như chúng ta đều biết, phương trình rường chứa trong nĩ một hằng số vũ trụ học (cosmological constant) - một trong những hằng số quan trọng nhất của vũ trụ. Tuy nhiên nĩ từng bị chính Einstein bác bỏ vì sự cĩ mwtj của nĩ khiến phương trình trường mơ tả một vũ trụ giãn nở vĩnh viễn với khởi đầu là một kì dị. Einstein khơng tin vào những kì dị và xác xuất của nĩ, ồng từng nĩi "Chúa khơng chơi trị xúc xắc!", tuy nhiên những gì kiểm định từ lí thuyết BB lại cho thấy Chúa cĩ chơi, và hằng số vũ trụ là cần thiết. Và hằng số này cho biết rằng mơ hình chuẩn của vũ trụ giãn nở lạm phát địi hỏi sự cĩ mặt của một loại năng lượng tràn ngập khơng gian, đủ sức chống lại hấp dẫn của vạt chất trong vũ trụ để làm nĩ giãn nở vĩnh viễn, và người ta đã gọi loại năng lượng này là "năng lượng tối"
(sự cĩ mặt của năng lượng tối dẫn đến sự giãn nở lạm phát của vũ trụ và hiện nay tiếp tục làm vũ trụ giãn nở mãi mãi)
Theo các tính tốn hiện nay, năng lượng vũ trụ cĩ đến 73% là năng lượng tối, 23% là năng lượng của vật chất tối và chỉ cĩ 4% cịn lại là của vật chất thơng thường mà chúng ta biết.
Vũ trụ luôn luôn giãn nỡ theo thời gian.
Các nhà khoa học của Cơ quan hàng khơng vũ trụ Mỹ (NASA) khẳng định sự chính xác của các dự báo khoa học về sự ra đời và giải đáp nhiều bí ẩn về sự tiếp tục giãn nở hiện nay của vũ trụ.
Các dữ kiện do vệ tinh WMAP thu thập đã giúp các nhà khoa học NASA thiết lập được bản đồ sĩng viba vũ trụ, một bằng chứng khẳng định những dự báo cũng như các mơ hình tốn học về vụ nổ lớn hình thành vũ trụ với độ tuổi được xác định là 13,7 tỷ năm.
Các lý thuyết về vụ nổ lớn khẳng định vào thời điểm trước khi xảy ra vụ nổ, tồn bộ vật chất và năng lượng trong vũ trụ hiện nay được nén trong một khoảng khơng gian cực nhỏ kích thước mỗi chiều chỉ bằng 1 phần mười mũ 36 của mét. Đây là khơng gian nhỏ nhất cĩ thể tồn tại theo các định luật vật lý và khơng thể nén vào một khơng gian nhỏ hơn được nữa. Các nhà khoa học NASA cũng khẳng định trong 1 phần ngàn tỷ giây đầu tiên, vụ nổ lớn đã giải phĩng một trường năng lượng đầy những hạt vật chất mang trọng lực âm gọi là các inflaton. Chúng đẩy nhau về mọi hướng và phân rã thành các hạt cơ bản và năng lượng dưới dạng lượng tử ánh sáng. Vũ trụ tiếp tục mở rộng trong 400 ngàn năm sau đĩ và nguội đi để các điện tử và các proton kết hợp thành các nguyên tử Hy-đrơ. Vì vậy, các phân tử lượng tử ánh sáng khơng cịn bị va đập với các điện tử nữa và trở thành các nguồn sáng nguyên thủy cĩ thể truyền đi khắp vũ trụ mà khơng hề bị cản trở. Các vệ tinh hiện nay với những thiết bị hiện đại đã thu được những ánh sáng nguyên thủy này và chúng là những dấu hiệu khẳng định sự tồn tại của vụ nổ lớn hình thành vũ trụ. Với các dữ liệu thu được từ vũ trụ, các nhà khoa học NASA cũng khẳng định mơ hình tốn học về sự tồn tại của vật liệu tối lạnh cũng như năng lượng tối mang lực ngược chiều với trọng lực. Các mơ hình tốn học về hằng số vũ trụ đã xác định nguồn năng lượng tối này là một thuộc tính của vũ trụ và cĩ giá trị khơng đổi ở mọi điểm trong khơng gian và thời gian. Nguồn năng lượng bí ẩn này đã giải thích nguyên nhân sự giãn nở khơng ngừng của vũ trụ khơng chỉ trong mà cả từ sau vụ nổ lớn. Các nhà khoa học thuộc Chương trình tìm kiếm sự sống trong hệ Mặt Trời của NASA cịn khẳng định sự tồn tại các thành phần của sự sống trên mặt trăng Enceladus của sao Thổ. Tiến sĩ Bob Brown, người nghiên cứu các dữ kiện của tàu vũ trụ Cassini thăm dị sao Thổ của NASA trong 2 năm qua, cho biết trong khi tập trung tìm kiếm các dấu hiệu của sự sống trên mặt trăng Enceladus, các nhà khoa học NASA đã phát hiện các thành phần của sự sống trên mặt trăng này qua các dữ liệu do tàu vũ trụ Cassini truyền về Trái Đất khi tàu lao vào khơng gian cách bề mặt của Enceladus khoảng 160 km.
Các dữ liệu mới phát hiện khẳng định Enceladus cĩ bầu khí quyển chứa các thành phần sự sống như các phân tử hữu cơ, hơi nước và hơi nĩng. Các khí tạo thành khí quyển là khí thốt lên từ những vết nứt trên bề mặt Enceladus. Hầu hết bầu khí quyển này là hơi nước và như vậy, nước dạng lỏng cĩ thể đang tồn tại dưới bề mặt băng giá của mặt trăng này.
Vũ trụ sẽ nở rộng mãi mãi.
Cách đây khơng lâu, các nhà khoa học Mĩ đã đưa ra kết luận, vũ trụ sẽ mở rộng mãi mãi. Họ đưa ra các kết qủa sau: - Vũ trụ được hình thành cách đây 13,7 tỷ năm (với sai số 0,1 tỷ năm), và quá trình này kéo dài khoảng 200 triệu năm. - Chỉ xấp xỉ 4% vũ trụ được tạo bởi các nguyên tử (loại “vật chất thường” mà chúng ta nhận thấy hiện nay). Khoảng 23% là “vật chất lạnh, tối” mà các nhà khoa học đã biết chút ít, và 73% cịn lại là “năng lượng tối kỳ lạ” mà con người hầu như chưa hiểu gì về chúng. - Những ngơi sao đầu tiên phát sáng trong khoảng 200 triệu năm sau Big Bang, sớm hơn nhiều so với các phỏng đốn trước đây. - Vũ trụ là dẹt và sẽ mở rộng khơng ngừng. Nĩ sẽ khơng quay trở lại trạng thái ban đầu và bị sụp đổ trong cái gọi là Big Crunch (vụ co lớn). Vũ trụ co lại, dừng, nở ra mãi mãi
Do vũ trụ tạo thành từ vụ nổ lớn nên đến ngày nay chúng ta quan sát được sự dãn nở của vũ trụ. Nhưng vũ trụ cĩ dãn nở mãi mãi như vậy hay khơng là tuỳ thuộc vào mật độ của vũ trụ hiện thời. Bởi vì đến một thời điểm nào đĩ, lực hấp dẫn sẽ làm cho vũ trụ co lại với nhau. Nếu mật độ đĩ lớn hơn một mật độ tới hạn nào đĩ thì vũ trụ sẽ co lại trong một cái gọi là vụ co lớn. Nếu mật độ bằng đúng mật độ tới hạn thì vũ trụ sẽ dừng, cịn nếu mật độ nhỏ hơn mật độ tới hạn thì vũ trụ sẽ nở ra mãi mãi. Những kết quả nghiên cứu gần đây nhất cho thấy, mật độ của vũ trụ chỉ bằng khoảng 20% mật độ tới hạn nĩi trên. Do đĩ để tiên đốn số phận của vũ trụ, chúng ta tạm thời chấp nhận rằng vũ trụ sẽ nở ra mãi mãi. Chúng ta giả thiết rằng những định luật vật lí hiện thời sẽ luơn đúng trong tương lai vì nĩ đã từng đúng trong thời gian 17,3 tỉ năm trong quá khứ.
Trái đất và mặt trời trong 7 tỉ năm nữa
Trong vịng 4.5 tỉ năm nữa, chúng ta khơng cảm thấy nhiều lắm sự biến đổi của vũ trụ nhưng đến mốc khoảng 4.5 tỉ năm thì cĩ một sự kiện quan trọng sẽ xảy ra vì nĩ liên quan đến sự tồn tại của lồi người. Mặt trời sẽ đốt hết nguồn nhiên liệu hidro của nĩ, nguồn nhiên liệu mà làm cho nĩ đang phát sáng như ngày nay nhờ vào phản ửng nhiệt hạch tổng hợp heli từ hydro. Lúc đĩ, những phản ứng nhiệt hạch để tạo ra những nguyên tố nặng hơn từ heli bắt đầu và do việc này làm cho lớp bao bên ngồi của mặt trời phồng to ra tới kích thước cỡ 100 lần hiện nay vầ mặt trời (MT) sẽ biến thành một ngơi sao kênh đỏ khổng lồ. Lúc này sao thuỷ sẽ lọt vào trong vỏ phát sáng đĩ của MT. Từ trái đất nếu ta nhìn MT thì nĩ chiếm một phần rất lớn bầu trời (khoảng1% diện tích bầu trời). MT sẽ đốt nĩng trái đất đến khoảng 1200°C một nhiệt độ quá cao để cĩ thể cĩ một sinh vật nào sống sĩt. Nước sẽ bay hơi, rừng sẽ cháy trụi và đất đá sẽ nĩng chảy. Lúc này muốn tồn tại thì hậu duệ của chúng ta phải sơ tán ra phía rìa của MT, đến tận những ngơi sao Hải vương,