Chẳng có gì bí mật chuyện vũ trụ là một nơi cực kì rộng lớn. Vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát (tức là “Vũ trụ đã biết”) ước tính trải rộng chừng 93 tỉ năm ánh sáng. Đó là một con số đẹp ấn tượng, đặc biệt khi bạn chỉ mới xét phần quan sát được của nó từ trước đến nay mà thôi. Và với thể tích mênh mông của không gian đã biết đó, người ta sẽ nghĩ lượng vật chất chứa bên trong nó cũng nhiều ấn tượng không kém.
Thật thú vị, khi bạn nhìn vào vật chất ở cấp độ vĩ mô nhất thì các con số trở nên lớn khó hình dung nổi. Chẳng hạn, người ta tin rằng có từ 120 đến 300 nghìn tỉ tỉ (tức 1,2.1023 đến 3,0.1023) ngôi sao trong vũ trụ có thể quan sát của chúng ta. Nhưng nhìn kĩ hơn, ở cấp độ nguyên tử, các con số còn khó hình dung hơn nữa.
Một tỉ năm sau vụ nổ lớn, các nguyên tử hydrogen bị xé toạc ra một cách bí ẩn thành một món súp ion. Ảnh: NASA/ESA/A. Felid (STScI)
Ở cấp độ này, người ta ước tính có 1078 đến 1082 nguyên tử trong vũ trụ có thể quan sát đã biết. Nói theo ngôn ngữ bình dân, con số là một triệu tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ đến mười tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ nguyên tử.
Chưa hết, những con số đó không phản ánh chính xác có bao nhiêu vật chất mà vũ trụ thật sự có thể chứa. Như đã nói, ước tính này chỉ mới xét phần vũ trụ có thể quan sát vươn xa 46 tỉ năm ánh sáng theo mọi phương, và dựa trên sự dãn nở của không gian tính đến những vật thể xa xôi nhất đã quan sát được.
Lịch sử vũ trụ khởi đầu với Big Bang
Trong khi một siêu máy tính của Đức mới đây có chạy một mô phỏng và ước tính tồn tại khoảng 500 tỉ thiên hà thuộc vùng quan sát, thì một ước tính khác gây tranh cãi hơn đặt ra con số 300 tỉ. Vì số lượng sao trong một thiên hà có thể lên tới 400 tỉ, nên tổng số sao có thể chừng 1,2.1023 – hay vượt quá 100 nghìn tỉ tỉ.
Tính trung bình, mỗi ngôi sao có thể cân nặng khoảng 1035 gram. Như vậy, tổng khối lượng sẽ vào khoảng 1058 gram. Vì mỗi gram vật chất được biết có khoảng 1024 proton, hoặc tương đương 1024 nguyên tử hydrogen (vì mỗi nguyên tử hydrogen chỉ có một proton), nên tổng số nguyên tử hydrogen sẽ bằng khoảng 1082 – tức là mười tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ.
Bên trong vũ trụ có thể quan sát này, vật chất này phân bố đồng đều khắp cõi không gian, ít nhất là khi tính trung bình trên những khoảng cách lớn hơn 300 triệu năm ánh sáng. Tuy nhiên, ở những cấp độ nhỏ hơn, vật chất đã quan sát tạo thành các đám vật chất phát sáng được tổ chức tôn ti trật tự mà chúng ta đều quen thuộc.
Tóm lại, đa số các nguyên tử cô đặc thành các sao, đa số các sao cô đặc thành các thiên hà, đa số các thiên hà cô đặc thành đám thiên hà, đa số các đám thiên hà cô đặc thành siêu đám thiên hà và, cuối cùng, thành những cấu trúc vĩ mô nhất như Vạn Lý Trường Thiên Hà (Sloan Great Wall). Ở một cấp độ nhỏ hơn, những đám kết tập bị nhận chìm bởi các đám mây hạt bụi, các đám mây khí, các tiểu hành tinh, và những kết tập nhỏ khác của vật chất sao.
Hình minh họa lịch sử vũ trụ trong 13,7 tỉ năm và sự dãn nở trong vũ trụ. Ảnh: NASA/WMAP Science Team
Vật chất có thể quan sát của Vũ trụ cũng phân bố đẳng hướng, nghĩa là không có hướng quan sát nào có vẻ khác với mọi hướng khác và mỗi vùng của bầu trời đại khái chứa đựng cái giống nhau. Vũ trụ cũng chìm đắm trong một bức xạ vi sóng có tính đẳng hướng cao tương ứng với sự cân bằng nhiệt ở 2,725 kelvin (vừa sát trên không độ tuyệt đối).
Giả thuyết vũ trụ là đồng nhất và đẳng hướng được gọi là nguyên lí vũ trụ học. Nguyên lí này phát biểu rằng các định luật vật lí tác dụng đồng đều trong khắp vũ trụ và, do đó, không tạo ra bất cứ dị thường nào có thể quan sát được trong cấu trúc vĩ mô. Lí thuyết này được củng cố bởi các quan trắc thiên văn đã giúp lập biểu đồ tiến hóa của cấu trúc của vũ trụ kể từ khi nó được khai sinh bởi Big Bang.
Sự nhất trí hiện tại giữa các nhà khoa học là đa phần vật chất được tạo ra trong sự kiện này, và sự dãn nở của Vũ trụ không bổ sung thêm vật chất mới nào vào phương trình. Thay vậy, người ta tin rằng cái đã và đang xảy ra trong 13,7 tỉ năm qua đơn giản là một sự dãn nở hay sự phân tán của khối lượng được tạo ra ban đầu đó. Nghĩa là, không có lượng vật chất nào không có mặt lúc khai sinh được sinh ra thêm trong sự dãn nở này.
Tuy nhiên, sự tương đương của khối lượng và năng lượng theo Einstein mang lại thêm một chút phức tạp cho lí thuyết này. Đây là một hệ quả phát sinh do thuyết tương đối hẹp, trong đó việc bổ sung thêm năng lượng cho một vật thể làm tăng khối lượng của nó. Giữa mọi sự hợp nhất và phân li, các nguyên tử thường xuyên biến đổi từ hạt thành năng lượng và biến đổi ngược lại.
Mật độ nguyên tử bên trái (lúc bắt đầu thí nghiệm) lớn hơn mật độ lúc 80 mili giây sau Big Bang mô phỏng. Ảnh: Chen-Lung Hung
Tuy nhiên, quan sát ở cấp vĩ mô, thì mật độ vật chất tổng thể của vũ trụ vẫn không đổi theo thời gian. Mật độ hiện nay của vũ trụ có thể quan sát được ước tính là rất thấp – chừng 9,9.10-30 g/cm3. Khối lượng-năng lượng này bao gồm 68,3% năng lượng tối, 26,8% vật chất tối và chỉ có 4,9% vật chất bình thường. Như vậy, mật độ nguyên tử là vào cỡ một nguyên tử hydrogen cho mỗi 4 cm3 thể tích.
Tính chất của năng lượng tối và vật chất tối phần lớn chưa được biết, và chúng có thể phân bố đều hoặc được tổ chức thành các cụm giống như vật chất bình thường. Tuy nhiên, người ta tin rằng vật chất tối có tác dụng hấp dẫn giống như vật chất bình thường, và do đó nó làm chậm sự dãn nở của Vũ trụ. Trái lại, năng lượng tối thì làm tăng tốc Vũ trụ dãn nở.
Một lần nữa, con số này chỉ là một ước tính thô. Khi được dùng để ước tính khối lượng tổng thể của Vũ trụ thì nó thường sai lệch với các ước tính khác. Và cuối cùng, hãy nhớ rằng cái chúng ta nhìn thấy chỉ là một phần nhỏ của Vũ trụ tổng thể mà thôi.
Nguồn: Universe Today
