Vũ trụ là một nơi rộng lớn và đầy mê hoặc. Khi các nhà thiên văn xem xét nó được tạo ra từ những gì, họ có thể chỉ trực tiếp nhất vào hàng tỷ thiên hà mà nó chứa. Mỗi thiên hà trong số đó có hàng triệu hoặc hàng tỷ sao hoặc thậm chí hàng nghìn tỷ. Nhiều ngôi sao trong số đó có các hành tinh. Ngoài ra còn có những đám mây khí và bụi.
Ở giữa các thiên hà, nơi dường như sẽ có rất ít “chất liệu”, các đám mây khí nóng tồn tại ở một số nơi, trong khi các khu vực khác gần như trống rỗng. Tất cả đó là vật chất có thể được phát hiện. Vì vậy, khó có thể nhìn ra vũ trụ và ước tính, với độ chính xác hợp lý, khối lượng phát sáng (vật chất chúng ta có thể nhìn thấy) trong vũ trụ, sử dụng thiên văn vô tuyến, hồng ngoại và tia X?
Phát hiện “chất liệu” vũ trụ
Ngày nay các nhà thiên văn học có các máy dò rất nhạy, họ đang có những tiến bộ lớn trong việc tìm ra khối lượng của vũ trụ và những gì tạo nên khối lượng đó. Nhưng đó không phải là vấn đề. Những câu trả lời họ đang nhận được không có ý nghĩa. Là phương pháp cộng khối của họ sai (không có khả năng) hay có một cái gì đó khác ngoài đó; cái gì khác mà họ không thể nhìn thấy? Để hiểu những khó khăn, điều quan trọng là phải hiểu khối lượng của vũ trụ và cách các nhà thiên văn đo lường nó.
Đo khối lượng vũ trụ
Một trong những mảnh lớn nhất của bằng chứng cho khối lượng của vũ trụ là một thứ gọi là nền vi sóng vũ trụ (CMB). Đó không phải là một “rào cản” vật lý hay bất cứ thứ gì tương tự. Thay vào đó, đó là một điều kiện của vũ trụ sơ khai có thể được đo bằng máy dò vi sóng. CMB bắt nguồn từ ngay sau Vụ nổ lớn và thực sự là nhiệt độ nền của vũ trụ. Hãy nghĩ về nó như nhiệt có thể phát hiện được trong toàn bộ vũ trụ từ mọi hướng. Nó không chính xác như sức nóng tỏa ra từ Mặt trời hay tỏa ra từ một hành tinh. Thay vào đó, đó là nhiệt độ rất thấp được đo ở mức 2,7 độ K. Khi các nhà thiên văn học đo nhiệt độ này, họ thấy những dao động nhỏ nhưng quan trọng lan truyền khắp nền “nhiệt” này. Tuy nhiên, thực tế là nó tồn tại có nghĩa là vũ trụ về cơ bản là “phẳng”. Điều đó có nghĩa là nó sẽ mở rộng mãi mãi.
Vậy, sự bằng phẳng đó có ý nghĩa gì khi tìm ra khối lượng của vũ trụ? Về cơ bản, với kích thước đo được của vũ trụ, điều đó có nghĩa là phải có đủ khối lượng và năng lượng hiện diện bên trong nó để làm cho nó “phẳng”. Vấn đề? Vâng, khi các nhà thiên văn học bổ sung tất cả các vật chất “thông thường” (như các ngôi sao và thiên hà, cộng với khí trong vũ trụ, đó chỉ là khoảng 5% mật độ quan trọng mà vũ trụ phẳng cần giữ phẳng.
Điều đó có nghĩa là 95% vũ trụ chưa được phát hiện. Nó ở đó, nhưng nó là gì? Nó ở đâu? Các nhà khoa học nói rằng nó tồn tại dưới dạng vật chất tối và năng lượng tối.
Các Thành phần của Vũ trụ
Khối lượng mà chúng ta có thể thấy được gọi là vấn đề “baryonic”. Đó là các hành tinh, thiên hà, đám mây khí và cụm sao cầu. Khối lượng không thể nhìn thấy được gọi là vật chất tối. Ngoài ra còn có năng lượng (sáng) có thể đo được; thú vị thay, còn có cái gọi là “năng lượng tối”. và không ai có ý tưởng tốt về điều đó là gì.
Vì vậy, những gì tạo nên vũ trụ và tỷ lệ phần trăm là bao nhiêu? Dưới đây là một phân tích về tỷ lệ hiện tại của khối lượng trong vũ trụ.
Các Yếu tố Nặng trong Vũ trụ
Đầu tiên, có các nguyên tố nặng. Chúng chiếm khoảng ~ 0,03% vũ trụ. Trong gần nửa tỷ năm sau khi vũ trụ ra đời, các nguyên tố duy nhất tồn tại là hydro và helium Chúng không nặng.
Tuy nhiên, sau khi các ngôi sao được sinh ra, sống và chết, vũ trụ bắt đầu được gieo hạt với các nguyên tố nặng hơn hydro và helium được “nấu chín” bên trong các ngôi sao. Điều đó xảy ra khi các ngôi sao hợp nhất hydro (hoặc các nguyên tố khác) trong lõi của chúng. Stardeath lan truyền tất cả những yếu tố đó vào không gian thông qua các vụ nổ tinh vân hành tinh hoặc siêu tân tinh. Một khi chúng nằm rải rác vào không gian, chúng là nguyên liệu chính để xây dựng các thế hệ sao và hành tinh tiếp theo.
Đây là một quá trình chậm, tuy nhiên. Thậm chí gần 14 tỷ năm sau khi được tạo ra, chỉ một phần nhỏ khối lượng của vũ trụ được tạo thành từ các nguyên tố nặng hơn helium.
Neutrinos
Neutrino cũng là một phần của vũ trụ, mặc dù chỉ có khoảng 0,3%. Chúng được tạo ra trong quá trình tổng hợp hạt nhân trong lõi của các ngôi sao, neutrino là những hạt gần như không khối lượng, di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Cùng với việc thiếu điện tích, khối lượng nhỏ của chúng có nghĩa là chúng không tương tác dễ dàng với khối lượng ngoại trừ tác động trực tiếp lên hạt nhân. Đo neutrino không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Nhưng, nó đã cho phép các nhà khoa học có được ước tính tốt về tốc độ tổng hợp hạt nhân của Mặt trời và các ngôi sao khác của chúng ta, cũng như ước tính tổng số neutrino trong vũ trụ.
Sao
Khi các nhà thám hiểm ngó lên bầu trời đêm hầu hết những gì nhìn thấy là những ngôi sao. Chúng chiếm khoảng 0,4 phần trăm của vũ trụ. Tuy nhiên, khi mọi người nhìn vào ánh sáng khả kiến đến từ các thiên hà khác, hầu hết những gì họ thấy là các ngôi sao. Có vẻ kỳ lạ khi chúng chỉ chiếm một phần nhỏ trong vũ trụ.
Khí
Vậy, những gì nhiều hơn, phong phú hơn các ngôi sao và neutrino? Nó chỉ ra rằng, ở bốn phần trăm, Khí chiếm một phần lớn hơn nhiều của vũ trụ. Chúng thường chiếm không gian giữa các ngôi sao và không gian giữa toàn bộ các thiên hà. Khí liên sao, phần lớn chỉ là nguyên tố tự do hydro và heli chiếm phần lớn khối lượng trong vũ trụ có thể đo trực tiếp. Những khí này được phát hiện bằng cách sử dụng các dụng cụ nhạy cảm với bước sóng radio, hồng ngoại và tia X.
Vật chất tối
“Thứ” phong phú thứ hai của vũ trụ là thứ mà không ai thấy phát hiện được. Tuy nhiên, nó chiếm khoảng 22 phần trăm của vũ trụ. Các nhà khoa học phân tích chuyển động (quay) của các thiên hà, cũng như sự tương tác của các thiên hà trong các cụm thiên hà, thấy rằng tất cả khí và bụi hiện diện là không đủ để giải thích sự xuất hiện và chuyển động của các thiên hà. Nó chỉ ra rằng 80 phần trăm khối lượng trong các thiên hà này phải là “bóng tối”. Đó là, nó không thể phát hiện được trong bất kỳ bước sóng ánh sáng, radio qua tia gamma. Đó là lý do tại sao “thứ” này được gọi là “vật chất tối”.
Danh tính của khối bí ẩn này? Không xác định. Ứng cử viên tốt nhất là vật chất tối lạnh, được lý thuyết là một hạt tương tự như neutrino, nhưng có khối lượng lớn hơn nhiều. Người ta cho rằng các hạt này, thường được gọi là các hạt lớn tương tác yếu (WIMP) phát sinh từ các tương tác nhiệt trong sự hình thành thiên hà ban đầu. Tuy nhiên, như chúng ta chưa thể phát hiện vật chất tối, trực tiếp hoặc gián tiếp hoặc tạo ra nó trong phòng thí nghiệm.
Năng lượng tối
Khối lượng dồi dào nhất của vũ trụ không phải là vật chất tối hay các ngôi sao hay thiên hà hay các đám mây khí và bụi. Đó là thứ gọi là “năng lượng tối” và nó chiếm tới 73% vũ trụ. Trên thực tế, năng lượng tối không (có khả năng) thậm chí còn rất lớn. Điều này làm cho việc phân loại “khối lượng” của nó hơi khó hiểu. Vậy, đó là cái gì? Có thể đó là một tính chất rất kỳ lạ của chính thời gian không gian, hoặc thậm chí có thể là một trường năng lượng không giải thích được (cho đến nay) thấm vào toàn bộ vũ trụ. Hoặc nó không phải là những điều đó. Không ai biết. Chỉ có thời gian và rất nhiều và rất nhiều dữ liệu sẽ nói.
John P. Millis, Ph.D &Carolyn Collins Petersen
