Vũ trụ chứa đầy hàng tỷ thiên hà và hàng nghìn tỷ ngôi sao, cùng với số lượng hành tinh, mặt trăng, tiểu hành tinh, sao chổi và mây bụi và khí gần như không thể đếm được - tất cả đều xoáy trong không gian rộng lớn.
Nhưng nếu chúng ta phóng to, các khối xây dựng của các thiên thể này là gì và chúng đến từ đâu?
Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất được tìm thấy trong vũ trụ, tiếp theo là helium; cùng nhau, họ chiếm gần như tất cả các vấn đề thông thường. Nhưng điều này chỉ chiếm một lát nhỏ của vũ trụ - khoảng 5%. Tất cả phần còn lại được làm bằng những thứ không thể nhìn thấy và chỉ có thể được phát hiện gián tiếp.
Chủ yếu là hydro
Tất cả bắt đầu với một Vụ nổ lớn, khoảng 13,8 tỷ năm trước, khi vật chất cực nóng và dày đặc đột ngột và nhanh chóng mở rộng theo mọi hướng cùng một lúc. Một phần nghìn giây sau, vũ trụ sơ sinh là một khối lượng lớn neutron, proton, electron, photon và các hạt hạ nguyên tử khác, gầm rú ở khoảng 100 tỷ độ Kelvin, theo NASA.
Từng mảnh vật chất tạo nên tất cả các yếu tố đã biết trong bảng tuần hoàn - và mọi vật thể trong vũ trụ, từ lỗ đen đến ngôi sao khổng lồ đến đốm bụi vũ trụ - đã được tạo ra trong Vụ nổ lớn, Neta Bahcall, giáo sư thiên văn học, nói trong Khoa Khoa học Vật lý Thiên văn tại Đại học Princeton ở New Jersey.
"Chúng tôi thậm chí không biết các định luật vật lý sẽ tồn tại trong một môi trường nóng, dày đặc như vậy", Bahcall nói với Live Science.
Khoảng 100 giây sau Vụ nổ lớn, nhiệt độ giảm xuống mức 1 tỷ độ Kelvin. Khoảng 380.000 năm sau, vũ trụ đã nguội đủ để các proton và neutron kết hợp với nhau và tạo thành lithium, helium và hydro đồng vị deuterium, trong khi các electron tự do bị giữ lại để tạo thành các nguyên tử trung tính.
Do có quá nhiều proton xoay quanh vũ trụ sơ khai, hydro - nguyên tố nhẹ nhất, chỉ với một proton và một neutron - đã trở thành nguyên tố phong phú nhất, chiếm gần 95% nguyên tử của vũ trụ. Gần 5% nguyên tử của vũ trụ là helium, theo NASA. Sau đó, khoảng 200 triệu năm sau Vụ nổ lớn, những ngôi sao đầu tiên đã hình thành và tạo ra phần còn lại của các nguyên tố, chiếm một phần nhỏ trong 1% còn lại của tất cả các vật chất thông thường trong vũ trụ.
Các hạt vô hình
Một thứ khác được tạo ra trong Vụ nổ lớn: vật chất tối. "Nhưng chúng tôi không thể nói nó ở dạng nào, vì chúng tôi chưa phát hiện ra các hạt đó", Bahcall nói với Live Science.
Vật chất tối không thể quan sát trực tiếp - tuy nhiên - nhưng dấu vân tay của nó được bảo quản trong ánh sáng đầu tiên của vũ trụ, hoặc bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), như những dao động nhỏ của bức xạ, Bahcall nói. Các nhà khoa học lần đầu tiên đề xuất sự tồn tại của vật chất tối vào những năm 1930, đưa ra giả thuyết rằng lực kéo vô hình của vật chất tối phải là thứ được giữ lại với các cụm thiên hà chuyển động nhanh. Nhiều thập kỷ sau, vào những năm 1970, nhà thiên văn học người Mỹ Vera Rubin đã tìm thấy nhiều bằng chứng gián tiếp hơn về vật chất tối trong tốc độ quay nhanh hơn dự kiến của các ngôi sao.
Dựa trên những phát hiện của Rubin, các nhà vật lý thiên văn đã tính toán rằng vật chất tối - mặc dù không thể nhìn thấy hoặc đo được - phải chiếm một phần đáng kể trong vũ trụ. Nhưng khoảng 20 năm trước, các nhà khoa học phát hiện ra rằng vũ trụ chứa đựng một thứ còn lạ hơn cả vật chất tối; năng lượng tối, được cho là dồi dào hơn đáng kể so với vật chất hoặc vật chất tối.
Một sức mạnh không thể cưỡng lại
Việc phát hiện ra năng lượng tối xuất hiện do các nhà khoa học tự hỏi liệu có đủ vật chất tối trong vũ trụ để gây ra sự giãn nở để phun ra hay đảo ngược hướng, khiến vũ trụ sụp đổ vào chính nó.
Thật đáng ngạc nhiên, khi một nhóm các nhà nghiên cứu điều tra điều này vào cuối những năm 1990, họ thấy rằng không chỉ vũ trụ không tự sụp đổ mà còn mở rộng ra bên ngoài với tốc độ nhanh hơn bao giờ hết. Nhóm xác định rằng một lực không xác định - được gọi là năng lượng tối - đang chống lại vũ trụ trong khoảng trống rõ ràng của không gian và tăng tốc động lượng của nó; phát hiện của các nhà khoa học đã thu được các nhà vật lý Adam Riess, Brian Schmidt và Saul Perlmutter giải thưởng Nobel Vật lý năm 2011.
Các mô hình lực cần thiết để giải thích tốc độ giãn nở đang tăng tốc của vũ trụ cho thấy năng lượng tối phải chiếm từ 70% đến 75% vũ trụ. Trong khi đó, vật chất tối chiếm khoảng 20% đến 25%, trong khi cái gọi là vật chất thông thường - thứ chúng ta thực sự có thể nhìn thấy - được ước tính chiếm chưa đến 5% vũ trụ, Bahcall nói.
Xem xét rằng năng lượng tối chiếm khoảng 3/4 vũ trụ, hiểu rằng đây là thách thức lớn nhất đối với các nhà khoa học hiện nay, nhà vật lý thiên văn Mario Livio, sau đó với Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian tại Đại học Johns Hopkins ở Baltimore, Maryland, nói với trang web của Live Science Space.com năm 2018.
"Mặc dù năng lượng tối không đóng vai trò to lớn trong quá trình tiến hóa của vũ trụ trong quá khứ, nhưng nó sẽ đóng vai trò chi phối trong quá trình tiến hóa trong tương lai", Livio nói. "Số phận của vũ trụ phụ thuộc vào bản chất của năng lượng tối."
