Lý thuyết phổ biến nhất về nguồn gốc của vũ trụ tập trung vào một trận đại hồng thủy vũ trụ chưa từng có trong lịch sử – vụ nổ lớn Big Bang.
Lý thuyết được ủng hộ nhất về nguồn gốc của vũ trụ chúng ta tập trung vào một sự kiện được gọi là vụ nổ lớn. Lý thuyết này được sinh ra từ quan sát rằng các thiên hà khác đang di chuyển ra khỏi thiên hà của chúng ta với tốc độ rất lớn theo mọi hướng, như thể chúng đều được đẩy bởi một lực nổ cổ đại.
Một linh mục người Bỉ tên là Georges Lemaître lần đầu tiên đề xuất lý thuyết vụ nổ lớn vào những năm 1920, khi ông đưa ra giả thuyết rằng vũ trụ bắt đầu từ một nguyên tử nguyên thủy duy nhất. Ý tưởng đã nhận được sự thúc đẩy lớn từ các quan sát của Edwin Hubble rằng các thiên hà đang tăng tốc ra khỏi chúng ta theo mọi hướng, cũng như từ phát hiện năm 1960 về bức xạ vi sóng vũ trụ – được hiểu là tiếng vọng của vụ nổ lớn – của Arno Penzias và Robert Wilson.
Các nghiên cứu sâu hơn đã giúp làm rõ tiến độ của vụ nổ lớn. Đây là lý thuyết: Trong 10 ^ -43 giây đầu tiên tồn tại, vũ trụ rất nhỏ, nhỏ hơn một triệu tỷ tỷ kích thước của một nguyên tử. Người ta cho rằng ở một trạng thái năng lượng đậm đặc đến khó hiểu như vậy, bốn lực cơ bản – trọng lực, lực điện từ, và lực hạt nhân mạnh và yếu – đã được tạo thành một lực duy nhất, nhưng các lý thuyết hiện tại của chúng ta vẫn chưa tìm ra một lực thống nhất sẽ hoạt động thế nào. Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần biết lực hấp dẫn hoạt động như thế nào trên quy mô hạ nguyên tử, nhưng hiện tại thì chưa.
Người ta cũng cho rằng những khoảng cách cực kỳ gần nhau cho phép các hạt đầu tiên của vũ trụ trộn lẫn, hòa trộn và lắng xuống ở cùng một nhiệt độ. Sau đó, trong một phần nhỏ không thể tưởng tượng được của giây, tất cả vật chất và năng lượng đó giãn nở ra bên ngoài một cách đồng đều hơn hoặc ít hơn, với những biến thể nhỏ được cung cấp bởi các dao động trên thang lượng tử. Mô hình giãn nở chóng mặt đó, được gọi là lạm phát, có thể giải thích tại sao vũ trụ có nhiệt độ và sự phân bố vật chất đồng đều như vậy.
Sau đó, vũ trụ tiếp tục giãn nở nhưng với tốc độ chậm hơn nhiều. Nhưng đến nay chúng ta vẫn chưa rõ chính xác cái gì làm cho vũ trụ giãn nở.
Hậu vũ trụ giãn nở
Khi thời gian trôi qua và vật chất nguội đi, các loại hạt đa dạng hơn bắt đầu hình thành, và cuối cùng chúng ngưng tụ lại thành các ngôi sao và thiên hà trong vũ trụ hiện tại của chúng ta.
Vào thời điểm vũ trụ già đi một phần tỷ giây, vũ trụ đã nguội đi đủ để bốn lực cơ bản tách khỏi nhau. Các hạt cơ bản của vũ trụ cũng hình thành. Tuy nhiên, nó vẫn còn nóng đến nỗi những hạt này vẫn chưa tập hợp thành nhiều hạt hạ nguyên tử mà chúng ta có ngày nay, chẳng hạn như proton. Khi vũ trụ tiếp tục mở rộng, món súp nguyên thủy nóng hổi này – được gọi là plasma quark-gluon – tiếp tục nguội đi. Một số máy va chạm hạt, chẳng hạn như Máy va chạm Hadron Lớn của CERN, đủ mạnh để tái tạo plasma quark-gluon.
Bức xạ trong vũ trụ sơ khai mạnh đến mức các photon va chạm có thể tạo thành các cặp hạt cấu tạo từ vật chất và phản vật chất, giống như vật chất thông thường về mọi mặt ngoại trừ mang điện tích ngược lại. Người ta cho rằng vũ trụ sơ khai chứa lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Nhưng khi vũ trụ nguội đi, các photon không còn đủ sức tạo thành các cặp vật chất-phản vật chất. Vì vậy, giống như một trò chơi cực đoan, nhiều hạt vật chất và phản vật chất ghép đôi và tiêu diệt lẫn nhau.
Bằng cách nào đó, một số vật chất dư thừa vẫn tồn tại – và giờ đây nó là thứ mà con người, hành tinh và thiên hà được tạo ra. Sự tồn tại của chúng ta là một dấu hiệu rõ ràng cho thấy quy luật tự nhiên đối xử với vật chất và phản vật chất hơi khác một chút. Các nhà nghiên cứu đã thực nghiệm quan sát sự mất cân bằng quy tắc này, được gọi là vi phạm CP, trong hành động. Các nhà vật lý vẫn đang cố gắng tìm ra chính xác cách vật chất chiến thắng trong vũ trụ sơ khai.
Xây dựng nguyên tử
Trong giây đầu tiên của vũ trụ, nó đủ mát để các vật chất còn lại kết hợp thành proton và neutron, những hạt quen thuộc tạo nên hạt nhân của nguyên tử. Và sau ba phút đầu tiên, các proton và neutron đã tập hợp lại thành các hạt nhân hydro và heli. Tính theo khối lượng, hydro là 75% vật chất của vũ trụ sơ khai, và heli là 25%. Sự phong phú của heli là một dự đoán quan trọng của lý thuyết vụ nổ lớn, và nó đã được xác nhận bởi các quan sát khoa học.
Mặc dù có hạt nhân nguyên tử, vũ trụ trẻ vẫn còn quá nóng để các electron có thể định cư xung quanh chúng để tạo thành các nguyên tử ổn định. Vật chất của vũ trụ vẫn là một lớp sương mù tích điện dày đặc đến nỗi ánh sáng khó có thể xuyên qua được. Sẽ mất khoảng 380.000 năm nữa để vũ trụ nguội đi đủ để các nguyên tử trung hòa hình thành — một thời điểm quan trọng được gọi là tái tổ hợp. Vũ trụ mát mẻ hơn đã lần đầu tiên làm cho nó trong suốt, cho phép các hạt photon chạy xung quanh nó cuối cùng lướt qua mà không bị cản trở.
Ngày nay chúng ta vẫn xem ánh sáng rực rỡ ban đầu này là bức xạ phông vi sóng vũ trụ, được tìm thấy khắp vũ trụ. Bức xạ tương tự như bức xạ được sử dụng để truyền tín hiệu TV qua ăng-ten. Nhưng nó là bức xạ lâu đời nhất được biết đến và có thể giữ nhiều bí mật về những khoảnh khắc sớm nhất của vũ trụ.
Từ những ngôi sao đầu tiên cho đến ngày nay
Không có một ngôi sao nào trong vũ trụ cho đến khoảng 180 triệu năm sau vụ nổ lớn. Phải mất một khoảng thời gian dài để lực hấp dẫn có thể tập hợp các đám mây hydro và rèn chúng thành các ngôi sao. Nhiều nhà vật lý nghĩ rằng những đám mây vật chất tối khổng lồ, một loại vật chất vẫn chưa được biết đến, lớn hơn vật chất nhìn thấy từ năm đến một, đã cung cấp bệ đỡ hấp dẫn cho các thiên hà và ngôi sao đầu tiên.
Khi các ngôi sao đầu tiên của vũ trụ bốc cháy, ánh sáng mà chúng giải phóng đã đóng gói đủ sức mạnh để một lần nữa tách các electron khỏi các nguyên tử trung hòa, một chương quan trọng của vũ trụ được gọi là tái ion hóa. Vào tháng 2/2018, một nhóm nghiên cứu của Úc đã thông báo rằng họ có thể đã phát hiện ra các dấu hiệu của “bình minh vũ trụ” này. Đến 400 triệu năm sau vụ nổ lớn, các thiên hà đầu tiên được sinh ra. Trong hàng tỷ năm kể từ đó, các ngôi sao, thiên hà và cụm thiên hà đã hình thành và tái hình thành – cuối cùng tạo ra thiên hà nhà của chúng ta, Dải Ngân hà và ngôi nhà vũ trụ của chúng ta, hệ mặt trời.
Ngay cả bây giờ vũ trụ vẫn đang mở rộng, và trước sự ngạc nhiên của các nhà thiên văn học, tốc độ giãn nở đang tăng nhanh. Người ta cho rằng gia tốc này được thúc đẩy bởi một lực đẩy lùi trọng lực gọi là năng lượng tối. Chúng ta vẫn chưa biết năng lượng tối là gì, nhưng người ta cho rằng nó chiếm 68% tổng vật chất và năng lượng của vũ trụ. Vật chất tối chiếm 27% khác. Về bản chất, tất cả những thứ bạn từng thấy — từ tình yêu đầu tiên của bạn đến những vì sao trên cao — chỉ chiếm chưa đầy 5% vũ trụ.
