Vụ Nổ Lớn

Vũ trụ đã lớn lên từ một khởi đầu nóng và đặc thành một mạng lưới thiên hà trong 13,8 tỷ năm như thế nào

Từng bước

Vũ trụ ngày nay

Các thiên hà xếp dọc một mạng lưới sợi bao quanh những khoảng trống rỗng: vũ trụ 13,8 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn. Chính không gian vẫn đang giãn ra, mang các thiên hà rời xa nhau.

Vùng được hiển thị rộng khoảng 800 triệu năm ánh sáng. Các thiên hà của nó tụ lại thành những bức tường và sợi quanh các khoảng trống rộng một trăm triệu năm ánh sáng hoặc hơn, đúng là hình mẫu mà các cuộc khảo sát lập bản đồ hàng triệu thiên hà đã phát hiện. Mạng lưới ở đây được vẽ từ một mô hình đơn giản chứ không phải bản đồ, nên trông giống mạng lưới thật mà không phải là nó.

Các thiên hà xa lùi ra xa chúng ta càng nhanh khi chúng càng xa: nhanh thêm khoảng 67 km/s cho mỗi 3,26 triệu năm ánh sáng. Chúng không bay xuyên qua không gian; chính không gian giữa chúng đang lớn lên. Cho đồng hồ chạy ngược, và mọi thứ hẳn đã từng bị nén chặt vào nhau.

Cho đồng hồ chạy ngược

Cho thời gian chạy ngược, các thiên hà chen sát lại, tan vào một khối khí đồng đều rồi biến mất trong ánh sáng ngày càng nóng. Không có tâm nào cả: từ bất cứ đâu, mọi thứ đều khép lại theo cùng một cách.

Vụ Nổ Lớn không phải là một vụ nổ tại một điểm trong không gian. Chính không gian đã nhỏ hơn ở mọi nơi cùng lúc, và mọi phần của vũ trụ ngày nay đều tham gia vào đó. Chọn bất kỳ thiên hà nào: khi chạy ngược, tất cả các thiên hà khác đều tiến lại gần nó, giống hệt như chúng tiến lại gần thiên hà của chúng ta.

Mọi thứ chúng ta có thể thấy ngày nay, giờ rộng 93 tỷ năm ánh sáng, một giây sau Vụ Nổ Lớn nằm gọn trong một vùng rộng khoảng 18 năm ánh sáng. Điều gì đã xảy ra vào khoảnh khắc đầu tiên, hay có một “trước đó” hay không, chưa ai biết: vật lý của chúng ta chỉ có thể lần ngược vũ trụ về đến lúc nó đã được một phần rất nhỏ của giây.

Giây đầu tiên

Sau một phần triệu giây, không gian đầy quark, gluon và ánh sáng ở nhiệt độ hàng nghìn tỷ độ. Sau khoảng một phần trăm nghìn giây, các quark tụ lại thành proton và neutron.

Ngày nay không có gì nóng đến thế, kể cả lõi của một ngôi sao. Cả vũ trụ là một nồi súp đặc gồm những hạt nhỏ nhất, va chạm quá thường xuyên để bất cứ thứ gì có thể kết dính. Khi không gian lớn lên, nó nguội đi, và ở khoảng hai nghìn tỷ độ các quark kết lại từng bộ ba: proton và neutron.

Lúc đầu số neutron bằng số proton. Neutron nặng hơn một chút, nên khi nguội đi chúng trở nên hiếm hơn, cho đến khi hơn một giây một chút, hai loại ngừng biến đổi qua lại: cứ sáu proton có một neutron. Khi đó neutrino đã thoát đi; ngày nay chúng vẫn tràn ngập không gian.

Những phút đầu tiên

Trong khoảng từ phút thứ ba đến phút thứ hai mươi, proton và neutron hợp nhất thành heli, cho đến khi một phần tư toàn bộ vật chất thường là heli. Sau đó vũ trụ quá nguội để tạo thêm.

Proton và neutron trước hết kết cặp thành đơteri, nhưng trong vài phút ánh sáng vẫn đủ nóng để phá vỡ các cặp ấy. Khi đã nguội xuống dưới khoảng một tỷ độ, các cặp sống sót và nhanh chóng ghép thành heli. Gần như mọi neutron đều kết thúc bên trong một hạt nhân heli.

Kết quả, theo khối lượng khoảng ba phần tư là hydro và một phần tư là heli, cùng một chút đơteri và liti, chính là điều các nhà thiên văn tìm thấy trong khí và các ngôi sao cổ xưa nhất. Đây là một trong những bằng chứng mạnh nhất rằng Vụ Nổ Lớn đã xảy ra, và nó xảy ra trong hai mươi phút đầu tiên của vũ trụ.

Một màn sương phát sáng

Trong 370.000 năm tiếp theo, vũ trụ là một màn sương phát sáng gồm hạt nhân, electron và ánh sáng. Ánh sáng không thể đi xa trước khi bị một electron làm bật ra, nên không thể nhìn xuyên qua nó.

Giống như ở bên trong một ngôi sao, nhưng loãng dần và nguội dần khi không gian lớn lên. Vật chất và ánh sáng đẩy và kéo nhau, và sóng âm vang khắp màn sương. Những gợn sóng chúng để lại rất nhỏ, khoảng một phần 100.000; ở đây chúng được vẽ mạnh hơn hàng nghìn lần.

Màn sương chậm rãi nguội từ hàng trăm triệu độ xuống vài nghìn độ, và ánh sáng của nó đổi màu như một ngôi sao đang nguội: từ trắng xanh sang vàng rồi cam. Cứ mỗi proton hoặc neutron có khoảng 1,6 tỷ hạt ánh sáng.

Màn sương tan

Ở khoảng 3.000 độ, chừng 370.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, các electron gắn vào hạt nhân và màn sương trở nên trong suốt. Ánh sáng được giải phóng khi đó vẫn đến với chúng ta từ mọi phía: bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Khi electron đã bị giữ trong các nguyên tử hydro và heli, ánh sáng đi qua giữa chúng một cách tự do. Ánh sáng ấy đã du hành từ đó đến nay. Bị vũ trụ đang lớn lên kéo giãn tới bước sóng dài gấp nghìn lần, ngày nay nó đến dưới dạng vi sóng, cao hơn độ không tuyệt đối 2,7 độ.

Những gợn sóng nhỏ của nó, những đốm rộng khoảng một độ trên bầu trời, là hạt giống của mọi thiên hà. Các vệ tinh đã lập bản đồ chi tiết chúng, từ COBE đến WMAP và Planck; bản đồ thật nằm trong số các bức ảnh. Hoa văn của chúng cho ta biết tuổi của vũ trụ và vũ trụ được tạo nên từ gì.

Thời kỳ tối tăm

Khi không gian tiếp tục lớn lên, ánh sáng còn sót lại đỏ dần và mờ đi. Sau vài triệu năm không còn chút ánh sáng nhìn thấy nào, chỉ có bóng tối, trong khi lực hấp dẫn lặng lẽ gom vật chất vào các gợn sóng.

Trong vài triệu năm, bầu trời vẫn phát ánh đỏ mờ như than hồng. Rồi ánh sáng của nó trượt vào vùng hồng ngoại, và vũ trụ chìm vào bóng tối. Khi đó chưa có ngôi sao nào, chỉ có khí hydro và heli đang nguội dần.

Trong bóng tối, vật chất tối, thứ không phát sáng cũng không chắn sáng và nặng gấp năm lần vật chất thường, tụ lại ở nơi các gợn sóng để nó đặc hơn một chút, và khí theo sau. Ở đây nó được vẽ màu xanh lam; trong thực tế nó vô hình.

Ánh sáng đầu tiên

Một trăm đến hai trăm triệu năm sau, những ngôi sao đầu tiên bừng cháy ở các nút đặc nhất của mạng lưới, và những thiên hà đầu tiên tụ lại. Ánh sáng của chúng dần dần làm trong khí xung quanh.

Những ngôi sao đầu tiên có lẽ khổng lồ, nóng và sống ngắn, chỉ gồm hydro và heli; chưa tìm thấy ngôi sao nào như vậy. Kính viễn vọng Không gian James Webb đã thấy những thiên hà đã phát sáng chưa đầy 300 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn.

Ánh sáng tử ngoại của các thiên hà trẻ lại tách các nguyên tử hydro quanh chúng ra, và đến khoảng một tỷ năm, khí giữa các thiên hà đã trở nên trong suốt. Các ngôi sao của chúng cũng rèn ra những nguyên tố nặng đầu tiên, từ cacbon đến sắt, thứ về sau tạo nên các ngôi sao và hành tinh.

Mạng lưới lớn lên

Qua hàng tỷ năm, các thiên hà lớn lên và sáp nhập dọc theo mạng lưới. Mặt Trời hình thành 9,2 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, và trong sáu tỷ năm qua không gian đã lớn lên ngày càng nhanh.

Phần lớn các ngôi sao ra đời khi vũ trụ được hai đến sáu tỷ tuổi; từ đó đến nay tốc độ sinh sao đã chậm lại khoảng mười lần. Mặt Trời và Trái Đất của chúng ta hình thành cách đây khoảng 4,6 tỷ năm từ khí đã được nhiều thế hệ sao trước làm giàu.

Năm 1998, các nhà thiên văn phát hiện rằng những ngôi sao phát nổ ở xa mờ hơn dự kiến: sự giãn nở đang tăng tốc. Thứ thúc đẩy nó, gọi là năng lượng tối, ngày nay chiếm khoảng 68% vũ trụ. Nó là gì vẫn là một trong những câu hỏi lớn nhất chưa có lời giải của vật lý.