Vũ trụ

Vũ trụ là toàn bộ mọi vật chất, năng lượng và không gian hiện hữu, được xem như một thực thể toàn vẹn. Kích thước cụ thể của Vũ trụ hiện vẫn chưa được xác định rõ ràng, nhưng theo giả thuyết, nó đã mở rộng kể từ sự kiện Big Bang khoảng 13,8 tỷ năm trước. Vũ trụ bao gồm các hành tinh, sao, thiên hà, không gian liên sao, hạt hạ nguyên tử, vật chất và năng lượng. Đường kính của Vũ trụ quan sát được hiện tại vào khoảng 28,5 tỷ parsec (93 tỷ năm ánh sáng), và ước tính có khoảng 2 nghìn tỷ thiên hà trong Vũ trụ quan sát được. Kích thước tổng thể của Vũ trụ vẫn là điều chưa được biết và có thể gần như vô hạn. Những quan sát và lý thuyết vật lý đã giúp chúng ta hiểu thêm về thành phần và sự phát triển của Vũ trụ.

Trong các tài liệu lịch sử và các lý thuyết vũ trụ học, nhiều mô hình khoa học đã được đưa ra để giải thích các hiện tượng quan sát trong Vũ trụ. Các lý thuyết địa tâm ban đầu được các triết gia Hy Lạp và Ấn Độ phát triển. Sau nhiều thế kỷ, những quan sát thiên văn chính xác hơn dẫn đến lý thuyết nhật tâm của Nicolaus Copernicus và với sự đóng góp từ Tycho Brahe, Johannes Kepler cải tiến lý thuyết về quỹ đạo elip của hành tinh, cuối cùng được Isaac Newton giải thích bằng lý thuyết hấp dẫn. Những quan sát xa hơn trong Vũ trụ giúp nhận ra rằng Hệ Mặt Trời nằm trong một thiên hà chứa hàng tỷ ngôi sao, gọi là Ngân Hà, và thiên hà của chúng ta chỉ là một trong số hàng trăm tỷ thiên hà khác. Ở quy mô lớn nhất, sự phân bố thiên hà được cho là đồng nhất và không có biên hay trung tâm đặc biệt. Quan sát về sự phân bố và phổ của các thiên hà đã dẫn đến nhiều lý thuyết vũ trụ học hiện đại. Khám phá trong thế kỷ XX về dịch chuyển đỏ trong quang phổ các thiên hà gợi ý rằng Vũ trụ đang giãn nở, và bức xạ nền vi sóng cho thấy Vũ trụ có một thời điểm khởi đầu. Gần đây, các quan sát cho thấy sự giãn nở của Vũ trụ đang gia tốc và liên quan đến một dạng năng lượng chưa biết gọi là năng lượng tối. Phần lớn khối lượng trong Vũ trụ là vật chất tối chưa được hiểu rõ.

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn là mô hình được chấp nhận rộng rãi về sự hình thành và phát triển của Vũ trụ. Vụ Nổ Lớn đã tạo ra không gian và thời gian, và một lượng cố định năng lượng và vật chất được phân phối trong đó; khi không gian giãn nở, mật độ vật chất và năng lượng giảm. Sau giai đoạn giãn nở ban đầu, nhiệt độ Vũ trụ giảm xuống đủ thấp để hình thành các hạt hạ nguyên tử đầu tiên và sau đó là các nguyên tử đơn giản. Những đám mây khổng lồ chứa nguyên tố nguyên thủy này dần dần kết tụ thành các ngôi sao dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Nếu mô hình hiện tại là chính xác, tuổi của Vũ trụ ước tính là 13,799 ± 0,021 tỷ năm.

Có nhiều giả thuyết khác nhau về số phận cuối cùng của Vũ trụ. Các nhà vật lý và triết học vẫn chưa biết rõ về tình trạng của Vũ trụ trước Vụ Nổ Lớn, và một số nghi ngờ rằng thông tin về trạng thái trước đó có thể không thu thập được. Một số giả thuyết về đa vũ trụ cho rằng Vũ trụ của chúng ta có thể chỉ là một trong nhiều vũ trụ song song tồn tại cùng lúc.

Nguồn gốc từ ngữ

Từ 'vũ trụ' trong tiếng Việt được mượn từ chữ Hán '宇宙'. Trong đó, vũ '宇' có nghĩa là không gian, còn trụ '宙' có nghĩa là thời gian. Vì vậy, ý nghĩa nguyên thủy của vũ trụ là sự kết hợp của không gian và thời gian.

Khái niệm

Vũ trụ có thể được hiểu là tổng thể của tất cả những gì tồn tại, đã tồn tại, và sẽ tồn tại. Theo kiến thức hiện nay, Vũ trụ bao gồm các yếu tố như không-thời gian, các dạng năng lượng (bao gồm bức xạ điện từ và vật chất), và các định luật vật lý điều khiển các yếu tố này. Vũ trụ chứa mọi dạng sống, mọi quá trình lịch sử, và một số nhà triết học và khoa học còn cho rằng nó bao gồm cả các khái niệm như toán học và logic.

Quá trình hình thành và Vụ Nổ Lớn

Mô hình phổ biến về nguồn gốc của Vũ trụ là lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Theo mô hình này, Vũ trụ bắt đầu từ một trạng thái vô cùng nóng và đặc, sau đó giãn nở đồng đều từ mọi điểm trong không gian. Mô hình này dựa trên thuyết tương đối rộng và các giả định cơ bản về tính đồng nhất và đẳng hướng của không gian. Phiên bản mô hình với hằng số vũ trụ học (Lambda) và vật chất tối lạnh, gọi là mô hình Lambda-CDM, là mô hình đơn giản nhất, cung cấp lời giải thích hợp lý cho nhiều quan sát trong Vũ trụ. Lý thuyết Vụ Nổ Lớn giải thích các quan sát như sự liên hệ giữa khoảng cách và dịch chuyển đỏ của các thiên hà, tỷ lệ nguyên tử hiđrô so với heli, và bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Giai đoạn cực kỳ nóng và đặc ban đầu gọi là kỷ nguyên Planck, kéo dài từ thời điểm thời gian bằng 0 đến một đơn vị thời gian Planck, khoảng 10^-43 giây. Trong kỷ nguyên Planck, mọi loại vật chất và năng lượng tập trung ở trạng thái đặc, nơi lực hấp dẫn có thể đã mạnh ngang với các lực cơ bản khác, và có thể tất cả các lực này đã hợp nhất thành một. Từ kỷ nguyên Planck, Vũ trụ giãn nở tới trạng thái hiện tại, có thể đã trải qua một giai đoạn lạm phát cực kỳ ngắn, làm cho kích thước của Vũ trụ tăng lên rất nhiều chỉ trong ít hơn 10 giây. Giai đoạn này làm cho các khối vật chất nguyên sơ trong Vũ trụ trở nên đồng đều và đẳng hướng như chúng ta quan sát ngày nay. Các biến động lượng tử trong giai đoạn này để lại các biến động mật độ trong Vũ trụ, hình thành các cấu trúc.

Sau kỷ nguyên Planck và giai đoạn lạm phát, Vũ trụ bước vào các kỷ nguyên quark, hadron, và lepton. Theo Steven Weinberg, ba kỷ nguyên này kéo dài khoảng 13,82 giây sau Vụ Nổ Lớn. Sự xuất hiện các nguyên tố nhẹ có thể được giải thích bằng lý thuyết kết hợp giữa sự giãn nở không gian và vật lý hạt nhân. Khi Vũ trụ giãn nở, mật độ năng lượng bức xạ điện từ giảm nhanh hơn so với mật độ vật chất vì năng lượng photon giảm theo bước sóng. Khi Vũ trụ tiếp tục giãn nở và nhiệt độ giảm, các hạt cơ bản kết hợp thành các hạt tổ hợp lớn hơn và ổn định. Chỉ vài giây sau Vụ Nổ Lớn, các hạt proton và neutron ổn định hình thành và sau đó là các hạt nhân nguyên tử thông qua phản ứng hạt nhân, dẫn đến sự xuất hiện của các hạt nhân nhẹ như hiđrô, deuteri, và heli. Tổng hợp hạt nhân kết thúc sau khoảng 20 phút khi nhiệt độ giảm xuống mức không đủ cho phản ứng tổng hợp hạt nhân. Vật chất chủ yếu là plasma nóng đặc chứa electron, neutrino và các hạt nhân dương. Các hạt và phản hạt liên tục va chạm và hủy thành photon và ngược lại trong khoảng 380.000 năm, giai đoạn này được gọi là kỷ nguyên photon.

Sau khi photon không còn tương tác với vật chất, Vũ trụ bước vào giai đoạn vật chất chiếm ưu thế (matter-dominated era), khoảng 47.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, vì Vũ trụ vẫn còn mờ đục đối với bức xạ. Trước giai đoạn này, bức xạ chiếm ưu thế và động lực của Vũ trụ bị chi phối bởi bức xạ. Khi đến giai đoạn tái kết hợp - khoảng 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, electron và các hạt nhân hình thành các nguyên tử ổn định, khiến Vũ trụ trở nên trong suốt với sóng điện từ. Ánh sáng có thể truyền tự do trong không gian và được quan sát đến nay dưới dạng bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB). Sau khoảng 100 đến 300 triệu năm, những ngôi sao đầu tiên hình thành; chúng là những ngôi sao lớn, sáng và chịu trách nhiệm cho quá trình tái ion hóa Vũ trụ. Vì không có các nguyên tố nặng hơn lithi từ giai đoạn tổng hợp hạt nhân, các ngôi sao này đã tạo ra các nguyên tố nặng đầu tiên qua tổng hợp hạt nhân sao. Vũ trụ cũng chứa một dạng năng lượng bí ẩn gọi là năng lượng tối, mật độ của nó không thay đổi theo thời gian. Sau khoảng 9,8 tỷ năm, Vũ trụ giãn nở đến mức mật độ vật chất nhỏ hơn mật độ năng lượng tối, đánh dấu sự bắt đầu của giai đoạn năng lượng tối thống trị (dark-energy-dominated era), với sự gia tăng giãn nở của Vũ trụ do năng lượng tối.

Đặc điểm

Khái niệm về không thời gian trong Vũ trụ thường được trình bày theo cách của không gian Euclid, trong đó không gian có ba chiều vật lý và thời gian được coi là chiều thứ tư. Tuy nhiên, bằng cách kết hợp không gian và thời gian thành một thực thể đa tạp toán học gọi là không gian Minkowski, các nhà vật lý đã phát triển nhiều lý thuyết để mô tả các hiện tượng trong Vũ trụ một cách đồng bộ hơn, từ quy mô vũ trụ siêu thiên hà đến cấp độ hạ nguyên tử.

Các sự kiện trong không thời gian không được xác định tuyệt đối bởi không gian và thời gian, mà thay vào đó chúng có mối quan hệ tương đối với chuyển động của người quan sát. Không gian Minkowski mô tả khá chính xác Vũ trụ trong điều kiện không có lực hấp dẫn; trong khi đó, đa tạp Riemann của thuyết tương đối rộng cung cấp mô hình chính xác hơn bằng cách tích hợp trường hấp dẫn và vật chất vào không thời gian bốn chiều. Lý thuyết dây dự đoán sự tồn tại của những chiều không gian ngoại lai khác.

Trong bốn lực cơ bản, lực hấp dẫn chiếm ưu thế trên quy mô lớn của Vũ trụ, bao gồm các thiên hà và các cấu trúc lớn hơn. Các hiệu ứng hấp dẫn có tính chất tích lũy, trong khi đó, các lực điện từ thường bị hủy lẫn nhau do tính chất đối kháng của điện tích dương và âm, khiến lực điện từ không đáng kể trên quy mô lớn. Hai lực còn lại, tương tác yếu và tương tác mạnh, giảm cường độ rất nhanh theo khoảng cách và chủ yếu ảnh hưởng trong phạm vi hạ nguyên tử.

Vũ trụ có nhiều vật chất hơn phản vật chất, điều này có thể liên quan đến sự vi phạm CP trong tương tác yếu. Vũ trụ dường như cũng không có động lượng hay mômen động lượng. Sự vắng mặt của điện tích hay động lượng tổng thể có thể được giải thích bởi các định luật vật lý đã được công nhận rộng rãi (như định luật Gauss và tính không phân kỳ của giả tenxơ ứng suất-năng lượng-động lượng) nếu Vũ trụ có các biên giới hạn.

Hình dạng

Thuyết tương đối tổng quát mô tả cách không thời gian bị cong do sự ảnh hưởng của vật chất và năng lượng. Tô pô hay hình học của Vũ trụ bao gồm cả hình học cục bộ trong vũ trụ quan sát được và hình học toàn cục. Các nhà vũ trụ học thường nghiên cứu trên một mặt cắt của không thời gian gọi là tọa độ đồng chuyển động. Phần không thời gian có thể quan sát được là vùng nhìn ngược về nón ánh sáng, phân định chân trời vũ trụ học. Chân trời vũ trụ học (còn gọi là chân trời hạt hoặc chân trời ánh sáng) là khoảng cách mà từ đó thông tin có thể được khôi phục hoặc khoảng cách xa nhất mà hạt có thể đạt được để đến quan sát viên trong tuổi của Vũ trụ. Đây là ranh giới giữa các vùng quan sát được và không quan sát được của Vũ trụ. Sự tồn tại, tính chất và ý nghĩa của chân trời Vũ trụ học phụ thuộc vào mô hình vũ trụ học cụ thể.

Một tham số quan trọng trong việc dự đoán tương lai của Vũ trụ là tham số mật độ, Omega (Ω), được định nghĩa bằng mật độ vật chất trung bình của Vũ trụ chia cho một giá trị giới hạn mật độ. Tùy thuộc vào việc Ω có bằng, nhỏ hơn hay lớn hơn 1, Vũ trụ có thể có một trong ba hình dạng: phẳng, mở hoặc đóng.

Các quan sát từ các tàu vũ trụ như Cosmic Background Explorer (COBE), Tàu thăm dò Bất đẳng hướng Vi sóng Wilkinson (WMAP), và Planck vẽ bản đồ CMB cho thấy Vũ trụ mở rộng vô hạn với tuổi hữu hạn, như mô tả trong mô hình Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW). Mô hình FLRW cũng hỗ trợ các mô hình vũ trụ lạm phát và mô hình chuẩn của vũ trụ học, mô tả vũ trụ phẳng và đồng nhất với sự chiếm ưu thế của vật chất tối và năng lượng tối.

Tô pô toàn cục của Vũ trụ rất khó xác định và hiện chưa có sự đồng thuận về tính chất cụ thể của nó. Dựa trên dữ liệu quan trắc CMB từ tàu Planck, một số nhà vật lý cho rằng tô pô của Vũ trụ có thể là mở, vô hạn với biên hoặc không có biên.

Kích thước và khu vực

Việc xác định kích thước chính xác của Vũ trụ là một thách thức lớn. Theo định nghĩa, Vũ trụ bao gồm mọi thứ trong không thời gian có khả năng tương tác với chúng ta và ngược lại. Theo thuyết tương đối tổng quát, một số khu vực trong không gian sẽ không bao giờ có thể tương tác với chúng ta, ngay cả trong toàn bộ tuổi thọ của Vũ trụ, vì tốc độ ánh sáng là giới hạn và không gian đang giãn nở. Ví dụ, thông điệp vô tuyến từ Trái Đất có thể không tới được một số khu vực của không gian, ngay cả nếu Vũ trụ tồn tại mãi mãi, do sự giãn nở của không gian có thể nhanh hơn tốc độ ánh sáng truyền trong nó.

Các vùng không gian xa xôi được cho là tồn tại như một phần thực tại, mặc dù chúng ta không thể tiếp cận được. Vùng không gian mà chúng ta có thể thu nhận thông tin gọi là Vũ trụ quan sát được. Nó phụ thuộc vào vị trí của người quan sát. Một quan sát viên di chuyển có thể tiếp cận một phần không thời gian lớn hơn so với một quan sát viên đứng yên. Tuy nhiên, ngay cả với tốc độ cao nhất, không thể tương tác với toàn bộ không gian. Nói chung, Vũ trụ quan sát được được xác định từ vị trí thuận lợi của chúng ta trong Ngân Hà.

Khoảng cách riêng, tức là khoảng cách được đo tại một thời điểm cụ thể, từ Trái Đất đến biên giới của Vũ trụ quan sát được là khoảng 46 tỷ năm ánh sáng (14 tỷ parsec), vì vậy đường kính của Vũ trụ quan sát được vào khoảng 91 tỷ năm ánh sáng (28×10^6 parsec). Khoảng cách ánh sáng từ biên giới của Vũ trụ quan sát được gần bằng tuổi của Vũ trụ nhân với tốc độ ánh sáng, khoảng 13,8 tỷ năm ánh sáng (4,2×10^6 parsec), nhưng khoảng cách này không phản ánh một thời điểm cụ thể khác, vì biên giới Vũ trụ và Trái Đất đang dần di chuyển ra xa nhau. Để so sánh, đường kính của một thiên hà điển hình gần bằng 30.000 năm ánh sáng, và khoảng cách giữa hai thiên hà lân cận là khoảng 3 triệu năm ánh sáng. Ví dụ, đường kính của Ngân Hà khoảng 100.000 năm ánh sáng, và thiên hà lớn gần nhất, thiên hà Andromeda, cách chúng ta khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng. Vì chúng ta không thể quan sát không gian ngoài biên giới của Vũ trụ quan sát được, chúng ta không biết kích thước của Vũ trụ là hữu hạn hay vô hạn.

Tuổi và sự giãn nở

Các nhà thiên văn học ước tính tuổi của Vũ trụ dựa trên giả thuyết rằng mô hình Lambda-CDM mô tả chính xác sự tiến hóa của Vũ trụ từ một trạng thái nguyên thủy nóng, đặc và đồng nhất đến trạng thái hiện tại. Họ đo các tham số vũ trụ học cấu thành mô hình này, mà được hiểu rõ về lý thuyết và được xác nhận bởi các quan sát thiên văn chính xác cao gần đây từ các tàu WMAP và Planck. Các kết quả thường nhất quán với quan sát từ các dự án khảo sát bức xạ vi sóng vũ trụ, sự liên hệ giữa dịch chuyển đỏ và độ sáng từ siêu tân tinh loại Ia, cũng như khảo sát các cụm thiên hà lớn và dao động baryon tựa âm thanh. Các quan sát khác, như nghiên cứu hằng số Hubble, phân bố cụm thiên hà, thấu kính hấp dẫn yếu và tuổi của các cụm sao cầu, đều cho dữ liệu đồng nhất, cung cấp phép thử chéo cho mô hình chuẩn của Vũ trụ học, đặc biệt là trong giai đoạn sớm của Vũ trụ nhưng kém chính xác hơn ở gần Ngân Hà. Dựa vào mô hình Lambda-CDM, các kỹ thuật đo lường cho phép ước tính tuổi của Vũ trụ khoảng 13,799 ± 0,021 tỷ năm (tính đến năm 2015).

Khi Vũ trụ và các thành phần của nó tiến hóa theo thời gian, chẳng hạn như số lượng và phân bố của các chuẩn tinh và thiên hà thay đổi, không gian cũng giãn nở. Nhờ vào sự giãn nở này, các nhà khoa học có thể ghi nhận ánh sáng từ một thiên hà nằm cách Trái Đất 30 tỷ năm ánh sáng, mặc dù ánh sáng chỉ mất khoảng 13 tỷ năm để truyền đến chúng ta; lý do là không gian giữa chúng đã mở rộng. Sự giãn nở này phù hợp với việc ánh sáng từ những thiên hà xa xôi khi đến thiết bị đo đã bị dịch chuyển đỏ, các photon đã mất dần năng lượng và chuyển sang bước sóng dài hơn (hoặc tần số thấp hơn) trong suốt hành trình. Phân tích phổ từ các siêu tân tinh loại Ia cho thấy sự giãn nở không gian đang gia tăng.

Lượng vật chất trong Vũ trụ ảnh hưởng trực tiếp đến lực hấp dẫn giữa chúng. Nếu Vũ trụ quá đậm đặc, nó sẽ sớm co lại thành một kỳ dị hấp dẫn. Ngược lại, nếu Vũ trụ chứa ít vật chất, sự giãn nở sẽ gia tốc quá nhanh, không đủ thời gian để các hành tinh và hệ hành tinh hình thành. Sau Vụ Nổ Lớn, Vũ trụ giãn nở một cách đơn điệu. Thật ngạc nhiên, Vũ trụ của chúng ta có mật độ khối lượng lý tưởng khoảng 5 proton trên một mét khối, cho phép sự giãn nở kéo dài trong 13,8 tỷ năm, đủ thời gian để hình thành vũ trụ quan sát được như hiện nay.

Có các lực động lực tác động lên các hạt trong Vũ trụ, ảnh hưởng đến tốc độ giãn nở. Trước năm 1998, đa số các nhà vũ trụ học tin rằng sự gia tăng của hằng số Hubble sẽ giảm dần theo thời gian do ảnh hưởng của hấp dẫn, và họ đã đề xuất một đại lượng đo được gọi là tham số giảm tốc, hy vọng nó liên quan trực tiếp đến mật độ vật chất của Vũ trụ. Tuy nhiên, vào năm 1998, hai nhóm nhà thiên văn độc lập đã đo được tham số giảm tốc gần bằng −1 nhưng khác 0, chỉ ra rằng tốc độ giãn nở hiện tại của Vũ trụ đang gia tăng theo thời gian.

Không thời gian

Không thời gian là bối cảnh trong đó mọi sự kiện vật lý diễn ra—mỗi sự kiện là một điểm trong không thời gian, được xác định bởi các tọa độ không gian và thời gian. Các sự kiện là những yếu tố cơ bản của không thời gian. Trong bất kỳ không thời gian nào, mỗi sự kiện được xác định một cách duy nhất bởi vị trí và thời gian của nó. Vì các sự kiện là những điểm trong không thời gian, trong lý thuyết tương đối cổ điển, vị trí của một hạt cơ bản (như hạt điểm) tại một thời điểm cụ thể có thể được diễn tả bằng $(x,y,z,t)$. Có thể coi không thời gian là tập hợp của tất cả các sự kiện, tương tự như một đường thẳng là tập hợp của tất cả các điểm trên nó, theo cách diễn tả toán học gọi là đa tạp.

Vũ trụ dường như là một liên tục không thời gian gồm ba chiều không gian và một chiều thời gian. Trung bình, Vũ trụ có hình học gần như phẳng (hoặc độ cong không gian xấp xỉ bằng 0), có nghĩa là hình học Euclid là mô hình xấp xỉ tốt cho hình học của Vũ trụ trên khoảng cách lớn. Trong cấu trúc toàn cục, tô pô của không thời gian có thể là không gian đơn liên (simply connected space), tương tự như mặt cầu, ít nhất là trên phạm vi Vũ trụ quan sát được. Tuy nhiên, các quan sát hiện tại không thể loại trừ khả năng rằng Vũ trụ có thêm nhiều chiều ẩn giấu và không thời gian của Vũ trụ có thể là không gian tô pô đa liên toàn cục (multiply connected global topology), giống như tô pô của không gian hai chiều trên mặt của hình trụ hoặc hình vòng xuyến.

Thành phần

Vũ trụ chứa phần lớn là năng lượng tối, vật chất tối và vật chất thông thường. Các thành phần khác bao gồm bức xạ điện từ (ước tính chiếm từ 0,005% đến gần 0,01%) và phản vật chất. Tổng lượng bức xạ điện từ sản sinh trong Vũ trụ đã giảm một nửa trong 2 tỷ năm qua.

Tỷ lệ phần trăm của các loại vật chất và năng lượng đã thay đổi qua các giai đoạn trong lịch sử của Vũ trụ. Hiện tại, vật chất thông thường, bao gồm nguyên tử, sao, thiên hà, môi trường không gian liên sao, và sự sống, chỉ chiếm khoảng 4,9% tổng thành phần của Vũ trụ. Mật độ của loại vật chất này rất thấp, chỉ khoảng 4,5 × 10 gram trên một centimét khối, tương đương với mật độ của một proton trong thể tích bốn mét khối. Các nhà khoa học vẫn chưa xác định được bản chất của năng lượng tối và vật chất tối. Vật chất tối, một dạng vật chất bí ẩn chưa được hiểu rõ, chiếm khoảng 26,8%. Năng lượng tối, có thể coi là năng lượng của chân không và là nguyên nhân của sự giãn nở gia tốc của Vũ trụ trong thời gian gần đây, chiếm khoảng 68,3%.

Vật chất, vật chất tối và năng lượng tối phân bố đồng đều trong Vũ trụ trên khoảng cách lớn hơn 300 triệu năm ánh sáng. Tuy nhiên, trên các phạm vi nhỏ hơn, vật chất có xu hướng tập trung thành các cụm; nhiều nguyên tử hình thành sao, các ngôi sao tập trung trong thiên hà, và phần lớn các thiên hà lại tập hợp thành các đám, siêu đám, và cuối cùng là các sợi thiên hà trên các khoảng cách lớn nhất. Vũ trụ quan sát được chứa khoảng 3×10 ngôi sao và hơn 100 tỷ thiên hà. Các thiên hà điển hình có thể là từ loại thiên hà lùn với vài chục triệu sao đến những thiên hà chứa khoảng một nghìn tỷ sao. Giữa những cấu trúc này là các khoảng trống lớn, với đường kính từ 10–150 Mpc (33 triệu–490 triệu ly). Ngân Hà thuộc Nhóm Địa Phương và là một phần của siêu đám Laniakea, trải rộng trên 500 triệu năm ánh sáng, trong khi Nhóm Địa Phương có đường kính khoảng 10 triệu năm ánh sáng. Vũ trụ cũng có những vùng trống hoang vắng lớn; khoảng trống lớn nhất từng đo được có đường kính khoảng 1,8 tỷ năm ánh sáng (550 Mpc).

Trên quy mô lớn hơn các siêu đám thiên hà, Vũ trụ quan sát được có tính đẳng hướng, có nghĩa là dữ liệu thống kê của Vũ trụ có giá trị giống nhau ở mọi hướng quan sát từ Trái Đất. Vũ trụ chứa bức xạ vi sóng đồng đều với phổ bức xạ vật đen ở trạng thái cân bằng nhiệt động với nhiệt độ khoảng 2,72548 kelvin. Nguyên lý coi Vũ trụ là đồng đều và đẳng hướng trên các khoảng cách lớn được gọi là nguyên lý vũ trụ học. Theo nguyên lý này, nếu vật chất và năng lượng trong Vũ trụ phân bố đồng đều và đẳng hướng, thì mọi quan sát sẽ giống nhau từ mọi điểm, và Vũ trụ không có một tâm đặc biệt nào.

Năng lượng tối

Vấn đề tại sao sự giãn nở của Vũ trụ lại gia tốc vẫn đang khiến các nhà vũ trụ học đau đầu. Một giả thuyết phổ biến cho rằng 'năng lượng tối', một dạng năng lượng bí ẩn với mật độ không đổi và phân bố đều khắp Vũ trụ, là nguyên nhân chính của hiện tượng này. Theo nguyên lý tương đương khối lượng-năng lượng, trong quy mô thiên hà, mật độ của năng lượng tối (~ 7 × 10 g/cm³) nhỏ hơn nhiều so với mật độ của vật chất thông thường hay năng lượng tối trong thể tích một thiên hà điển hình. Tuy nhiên, trong giai đoạn hiện tại khi năng lượng tối chiếm ưu thế, nó vượt trội so với các thành phần khối lượng-năng lượng khác của Vũ trụ nhờ vào sự phân bố đồng đều của nó trong không gian.

Các nhà khoa học đã đề xuất hai dạng năng lượng tối có thể tồn tại: hằng số vũ trụ học, một mật độ năng lượng không đổi lấp đầy toàn bộ không gian vũ trụ, và các trường vô hướng như nguyên tố thứ năm (quintessence) hoặc trường moduli, là các đại lượng động lực mà mật độ năng lượng có thể thay đổi theo không gian và thời gian. Các trường vô hướng không đổi trong không gian thường được coi là một phần của hằng số vũ trụ học. Tuy nhiên, việc phân biệt các trường này với mô hình hằng số vũ trụ trở nên khó khăn do biến đổi nhỏ trong giá trị trường vô hướng. Vật lý lượng tử cũng gợi ý rằng hằng số này có thể có nguồn gốc từ năng lượng chân không, như hiệu ứng Casimir. Dù vậy, giá trị đo được của mật độ năng lượng tối lại thấp hơn đến 120 lần so với giá trị dự đoán của lý thuyết trường lượng tử.

Vật chất tối

Vật chất tối là dạng vật chất giả thiết không thể quan sát được qua phổ điện từ, nhưng theo các tính toán, nó chiếm phần lớn vật chất trong Vũ trụ. Sự tồn tại và tính chất của vật chất tối được suy ra từ ảnh hưởng hấp dẫn của nó lên vật chất baryon, bức xạ và các cấu trúc lớn trong Vũ trụ. Ngoài neutrino, được coi là một dạng vật chất tối nóng có thể phát hiện qua các máy dò dưới lòng đất, chưa có phương pháp trực tiếp nào phát hiện vật chất tối trên các thiết bị thí nghiệm, làm cho nó trở thành một trong những bí ẩn lớn nhất trong thiên văn vật lý hiện đại. Vật chất tối không phát ra hay hấp thụ ánh sáng hay bất kỳ bức xạ điện từ nào đáng kể. Theo quan trắc bức xạ nền vi sóng vũ trụ, vật chất tối chiếm khoảng 26,8% tổng thành phần năng lượng-vật chất và 84,5% tổng thành phần vật chất trong Vũ trụ quan sát được.

Vật chất thường

Phần còn lại của Vũ trụ, chiếm 4,9% khối lượng-năng lượng, là 'vật chất thông thường', bao gồm các nguyên tử, ion, electron và các cấu trúc mà chúng tạo thành. Những thành phần này bao gồm các sao, là nguồn sáng chính của các thiên hà, cũng như khí và bụi trong môi trường liên sao (như tinh vân) và liên thiên hà, các hành tinh, và tất cả các vật thể trong cuộc sống hàng ngày mà chúng ta có thể chạm vào, sản xuất, nghiên cứu và phát hiện. Vật chất thông thường tồn tại trong bốn trạng thái (pha): rắn, lỏng, khí và plasma. Tuy nhiên, sự tiến bộ trong kỹ thuật đã cho phép khám phá những trạng thái mới của vật chất, như ngưng tụ Bose–Einstein và ngưng tụ fermion, mà trước đây chỉ là lý thuyết.

Vật chất bình thường được cấu tạo từ hai loại hạt cơ bản: quark và lepton. Ví dụ, proton gồm hai quark lên và một quark xuống; neutron gồm hai quark xuống và một quark lên; và electron là một thành viên của họ lepton. Một nguyên tử bao gồm một hạt nhân nguyên tử, do proton và neutron liên kết với nhau, và các electron quay quanh hạt nhân. Do phần lớn khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân, cấu tạo từ các hạt baryon, các nhà thiên văn học thường gọi vật chất thông thường là vật chất baryon, mặc dù một phần nhỏ của vật chất baryon này là electron và neutrino.

Ngay sau vụ nổ Big Bang, các proton và neutron nguyên thủy hình thành từ plasma quark-gluon khi Vũ trụ 'nguội' xuống dưới hai nghìn tỷ độ. Một vài phút sau, trong giai đoạn tổng hợp hạt nhân Big Bang, các hạt nhân được hình thành từ sự kết hợp của proton và neutron nguyên thủy. Quá trình này tạo ra các nguyên tố nhẹ như lithi và beryllium, trong khi các nguyên tố nặng hơn được hình thành từ các quá trình khác. Một số nguyên tử boron có thể xuất hiện vào thời điểm này, nhưng carbon không hình thành được lượng đáng kể. Tổng hợp hạt nhân của Vụ Nổ Lớn kết thúc sau khoảng 20 phút do nhiệt độ và mật độ giảm nhanh chóng vì sự giãn nở của Vũ trụ. Các nguyên tố nặng hơn được hình thành từ quá trình tổng hợp hạt nhân trong sao và siêu tân tinh.

Hạt cơ bản

Vật chất thường và các lực ảnh hưởng đến nó được giải thích qua các hạt cơ bản. Các hạt này được coi là cơ bản vì chúng không có cấu trúc bên trong, và chưa rõ liệu chúng có phải là tổ hợp của các hạt nhỏ hơn hay không. Mô hình Chuẩn là lý thuyết chính mô tả các hạt cơ bản và các tương tác của chúng, bao gồm tương tác điện từ, tương tác yếu và tương tác mạnh. Lý thuyết này đã được kiểm chứng qua các thí nghiệm liên quan đến sự tồn tại của các hạt như quark và lepton, cùng các hạt truyền tương tác như photon, boson W và Z, gluon. Mô hình Chuẩn cũng dự đoán sự tồn tại của boson Higgs, hạt tạo ra khối lượng cho các hạt cơ bản. Mặc dù thành công trong việc giải thích nhiều kết quả thí nghiệm, Mô hình Chuẩn chưa bao gồm lực hấp dẫn và việc tìm kiếm một lý thuyết bao quát hơn vẫn là mục tiêu của vật lý lý thuyết.

Hadron

Hadron là các hạt tổ hợp bao gồm quark liên kết với nhau bằng lực hạt nhân mạnh. Hadron chia thành hai loại chính: baryon (như proton và neutron) được tạo từ ba quark, và meson (như pion) gồm một quark và một phản quark. Trong số các hadron, proton là hạt ổn định lâu dài, trong khi neutron cũng ổn định khi nằm trong hạt nhân nguyên tử. Các hadron khác thường không bền và hiếm khi gặp trong Vũ trụ. Khoảng 10 giây sau vụ nổ Big Bang, khi Vũ trụ hạ nhiệt, các quark kết hợp với gluon để tạo thành hadron, chiếm phần lớn khối lượng Vũ trụ thời kỳ này. Nhiệt độ cao lúc đó cho phép hình thành các cặp hadron/phản-hadron, duy trì cân bằng giữa vật chất và phản vật chất. Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm, các cặp hadron/phản-hadron không còn tồn tại và đa số chúng hủy lẫn nhau, chỉ còn lại một lượng nhỏ hadron.

Lepton

Lepton là loại hạt cơ bản có spin bán nguyên, không tham gia vào tương tác mạnh nhưng tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, có nghĩa là không thể có hai lepton cùng thế hệ ở cùng một trạng thái cùng lúc. Lepton được chia thành hai nhóm: lepton mang điện (còn gọi là lepton giống electron) và lepton trung hòa (neutrino). Electron là lepton mang điện phổ biến và ổn định nhất trong Vũ trụ, trong khi muon và tau là các lepton không bền, nhanh chóng phân rã sau khi hình thành từ các va chạm năng lượng cao như trong các phản ứng tia vũ trụ hoặc trong máy gia tốc. Các lepton mang điện có thể kết hợp với các hạt khác để tạo thành các hạt tổ hợp như nguyên tử và positronium. Electron quyết định hầu hết tính chất hóa học của nguyên tố và hợp chất nhờ vào sự hình thành các obitan nguyên tử. Neutrino tương tác rất hiếm với vật chất, khiến việc theo dõi chúng trở nên khó khăn. Hàng tỷ tỷ neutrino trôi qua Vũ trụ mà hầu như không tương tác với vật chất thông thường.

Trong giai đoạn đầu của Vũ trụ, có một thời kỳ mà các hạt lepton chiếm ưu thế về khối lượng. Giai đoạn này bắt đầu khoảng 1 giây sau Vụ Nổ Lớn, sau khi phần lớn hadron và phản-hadron hủy lẫn nhau khi kết thúc kỷ nguyên hadron. Trong kỷ nguyên lepton, nhiệt độ của Vũ trụ vẫn đủ cao để duy trì các phản ứng sinh ra lepton và phản-lepton, giữ cho chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Khoảng 10 giây sau Vụ Nổ Lớn, nhiệt độ giảm xuống dưới mức cho phép tạo ra cặp lepton và phản-lepton. Hầu hết lepton và phản-lepton hủy lẫn nhau, chỉ còn lại một lượng nhỏ lepton. Khối lượng và năng lượng của Vũ trụ lúc này chủ yếu đến từ photon, đánh dấu sự chuyển tiếp sang kỷ nguyên photon.

Photon

Photon là hạt lượng tử của ánh sáng và tất cả các dạng bức xạ điện từ khác. Nó còn là hạt truyền lực điện từ, bao gồm cả tương tác qua các photon ảo. Hiệu ứng của lực điện từ có thể quan sát dễ dàng cả ở quy mô vi mô và vĩ mô vì photon không có khối lượng nghỉ, cho phép tương tác có phạm vi rộng lớn. Như các hạt cơ bản khác, photon được mô tả qua cơ học lượng tử và có lưỡng tính sóng-hạt, thể hiện cả tính chất của sóng và hạt.

Kỷ nguyên photon bắt đầu khi đa số lepton và phản-lepton đã hủy lẫn nhau, khoảng 10 giây sau Big Bang. Trong vài phút đầu của kỷ nguyên photon, các hạt nhân nguyên tử được hình thành qua quá trình tổng hợp hạt nhân. Vũ trụ trong thời kỳ này là plasma nóng gồm các hạt nhân, electron và photon. Khoảng 380.000 năm sau Big Bang, khi nhiệt độ Vũ trụ giảm xuống, các electron kết hợp với hạt nhân nguyên tử để tạo thành nguyên tử trung hòa. Photon không còn tương tác thường xuyên với vật chất nữa, làm cho Vũ trụ trở nên sáng hơn. Các photon có sự dịch chuyển đỏ lớn từ giai đoạn bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Những biến động nhỏ trong nhiệt độ và mật độ của CMB là những dấu vết sơ khai của cấu trúc Vũ trụ.

Các mô hình về Vũ trụ

Mô hình dựa trên thuyết tương đối tổng quát

Thuyết tương đối tổng quát là lý thuyết hình học về lực hấp dẫn do Albert Einstein phát triển vào năm 1915, hiện nay là lý thuyết chính về hấp dẫn trong vật lý hiện đại. Nó mở rộng thuyết tương đối hẹp và định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, cung cấp một mô tả thống nhất về lực hấp dẫn như là tính chất hình học của không-thời gian. Đặc biệt, độ cong của không-thời gian liên quan trực tiếp đến năng lượng và động lượng của vật chất và bức xạ trong một vùng không-thời gian cụ thể. Mối quan hệ này được miêu tả bằng phương trình trường Einstein, một hệ phương trình vi phân riêng phần. Trong thuyết tương đối tổng quát, sự phân bố của vật chất và năng lượng xác định hình học của không-thời gian, từ đó mô tả chuyển động của vật chất có gia tốc. Một trong các nghiệm của phương trình trường Einstein mô tả sự tiến hóa của Vũ trụ. Kết hợp với các dữ liệu đo lường về số lượng, loại và phân bố của vật chất trong Vũ trụ, các phương trình của thuyết tương đối tổng quát mô tả sự phát triển của Vũ trụ theo thời gian.

Với giả định nguyên lý vũ trụ học rằng Vũ trụ có tính chất đồng nhất và đẳng hướng ở mọi nơi, một nghiệm cụ thể của phương trình trường mô tả Vũ trụ là tensor mêtric được gọi là mêtric Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker.

$d{s}^2=-<!--\; -\; -->c^{2}d{t}^2+R(t{)}^2\left(\frac{d{r}^2}{1-<!--\; -\; -->k{r}^2}+r^{2}d{\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}^2+r^2{\sin }^2<!--\; \; -->\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}d{\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}^2\right)$

Trong đó (r, θ, φ) là các tọa độ trong hệ tọa độ cầu. Mêtric này có hai tham số chưa xác định: tham số tỷ lệ độ dài không thứ nguyên R miêu tả kích thước của Vũ trụ theo thời gian, và chỉ số độ cong k miêu tả hình học của Vũ trụ. Chỉ số k có thể là 0 cho hình học phẳng, 1 cho độ cong toàn phần dương, hoặc −1 cho độ cong âm. Giá trị của hàm số R phụ thuộc vào k và hằng số vũ trụ học Λ, biểu thị mật độ năng lượng chân không trong Vũ trụ và có thể liên hệ với năng lượng tối. Phương trình mô tả sự biến đổi của R theo thời gian là phương trình Friedmann, đặt theo tên nhà vật lý Alexander Friedmann.

Kết quả của R(t) phụ thuộc vào k và Λ, nhưng có một số đặc điểm tổng quát. Trước hết, tỷ lệ dịch chuyển độ dài R chỉ không thay đổi khi Vũ trụ là hoàn toàn đẳng hướng với độ cong toàn phần dương (k=1) và mật độ đồng nhất ở mọi nơi, như được Albert Einstein chỉ ra. Tuy nhiên, trạng thái cân bằng này không ổn định vì quan sát cho thấy Vũ trụ có sự phân bố vật chất không đồng nhất, buộc R phải thay đổi theo thời gian. Khi R thay đổi, khoảng cách không gian trong Vũ trụ cũng thay đổi, dẫn đến sự giãn nở hoặc co lại của không gian Vũ trụ. Hiệu ứng này giải thích việc các thiên hà dường như lùi xa nhau do không gian giữa chúng đang giãn ra. Sự giãn nở này cũng giải thích việc hai thiên hà có thể nằm cách nhau 40 tỷ năm ánh sáng dù chúng có thể hình thành từ 13,8 tỷ năm trước mà không bao giờ đạt tốc độ ánh sáng.

Thứ hai, trong các nghiệm của phương trình có một đặc tính là sự tồn tại kỳ dị hấp dẫn trong quá khứ, khi R tiến về 0 và mật độ năng lượng, vật chất đạt vô hạn. Đặc điểm này xuất hiện vì điều kiện biên ban đầu dựa trên giả sử về tính đồng nhất và đẳng hướng và chỉ xét tới tương tác hấp dẫn. Tuy nhiên, định lý kỳ dị Penrose–Hawking chứng minh rằng đặc điểm kỳ dị này xuất hiện trong những điều kiện rất tổng quát. Theo phương trình trường Einstein, R tăng nhanh từ trạng thái nóng đặc cực độ sau kỳ dị hấp dẫn (khi R có giá trị nhỏ hữu hạn); đây là một đặc tính cơ bản của mô hình Vụ Nổ Lớn của Vũ trụ. Hiểu biết về kỳ dị hấp dẫn của Big Bang yêu cầu một lý thuyết lượng tử về hấp dẫn, điều này vẫn chưa được lý thuyết nào thành công xác nhận.

Thứ ba, chỉ số độ cong k xác định độ cong không gian trung bình của không-thời gian trên khoảng cách lớn (hơn khoảng 1 tỷ năm ánh sáng). Nếu k=1, độ cong là dương và Vũ trụ có thể tích hữu hạn, tương tự như một mặt cầu 3 chiều trong không gian bốn chiều. Ngược lại, nếu k bằng 0 hoặc âm, Vũ trụ có thể tích vô hạn. Có một cảm giác phản trực giác rằng một vũ trụ vô hạn có thể hình thành từ thời điểm Vụ Nổ Lớn khi R=0 và mật độ vô hạn, điều này đã được toán học tiên đoán chính xác khi k không bằng 1. Tương tự, một mặt phẳng vô hạn có độ cong bằng 0 và diện tích vô hạn, trong khi một hình trụ dài vô hạn có kích thước hữu hạn theo một hướng và một hình xuyến có cả hai đều hữu hạn. Vũ trụ dạng hình xuyến có tính chất giống với Vũ trụ thông thường với điều kiện biên tuần hoàn.

Số phận cuối cùng của Vũ trụ vẫn là một câu hỏi mở, phụ thuộc chủ yếu vào chỉ số độ cong k và hằng số vũ trụ Λ. Nếu mật độ Vũ trụ đủ cao, k có thể bằng +1, nghĩa là độ cong trung bình chủ yếu dương và Vũ trụ có thể kết thúc bằng Vụ Co Lớn, có thể bắt đầu một Vũ trụ mới từ Vụ Nẩy Lớn. Ngược lại, nếu Vũ trụ không đủ đặc, k sẽ bằng 0 hoặc −1 và Vũ trụ sẽ tiếp tục giãn nở mãi mãi, trở nên lạnh hơn và cuối cùng dẫn đến Vụ Đóng Băng và cái chết nhiệt của Vũ trụ. Các số liệu hiện tại cho thấy tốc độ giãn nở của Vũ trụ không giảm mà ngược lại, tăng dần; nếu tình trạng này kéo dài, Vũ trụ có thể đạt đến Vụ Xé Lớn. Quan sát hiện tại cho thấy Vũ trụ có hình học phẳng (k = 0) và mật độ trung bình gần với giá trị tới hạn giữa sự tái suy sụp và giãn nở mãi mãi.