Vũ trụ được làm bằng gì?

Hãy tưởng tượng bạn muốn xác định khối lượng của một ngôi nhà và nội dung của nó. Bạn nhặt ngôi nhà và thiết lập nó trên một quy mô khổng lồ. Giả sử, để lý luận, bạn đo khối lượng là 100.000 pound (45.359 kg). Bây giờ, hãy tưởng tượng bạn muốn xem từng đồ vật trong nhà đóng góp gì vào tổng khối lượng. Bạn loại bỏ từng mục một và đặt nó lên bàn cân. Bạn thậm chí loại bỏ tất cả không khí để đo khối lượng của nó. Bây giờ, giả sử khối lượng của các vật thể riêng lẻ, bao gồm sàn, tường và mái của ngôi nhà, lên tới 5.000 pound (2.268 kg). Bạn sẽ nghĩ sao? Làm thế nào bạn sẽ giải thích cho sự khác biệt trong hàng loạt? Bạn có kết luận rằng phải có một số vật liệu vô hình trong nhà làm cho cấu trúc nặng hơn không?

Trong 40 năm qua, đây chính xác là tình thế tiến thoái lưỡng nan mà các nhà thiên văn phải đối mặt khi họ cố gắng xác định các khối cấu tạo của vũ trụ. Trước đó, họ nghĩ rằng vũ trụ chứa vật chất bình thường - những thứ bạn có thể nhìn thấy. Quét khắp vũ trụ, và những thứ này dường như hiển nhiên. Có hàng tỷ thiên hà , mỗi thiên hà chứa đầy hàng tỷ ngôi sao . Xung quanh một số ngôi sao đó, các hành tinh và mặt trăng của chúng có quỹ đạo hình elip. Và ở giữa những thiên thể hình cầu lớn đó là những vật thể có hình dạng bất thường, có kích thước khác nhau, từ những tiểu hành tinh khổng lồ đến những thiên thạch có kích thước bằng đá đến những hạt nhỏ không lớn hơn một hạt bụi. Các nhà thiên văn học phân loại tất cả những thứ này là vật chất baryonic , và họ (và chúng ta) biết đơn vị cơ bản nhất của nó là nguyên tử, bản thân nó bao gồm các hạt hạ nguyên tử thậm chí còn nhỏ hơn, chẳng hạn như proton, neutron và electron. (Vì lý do đơn giản, chúng ta sẽ loại bỏ các lepton và quark ra khỏi nó.)

Bắt đầu từ những năm 1970, các nhà thiên văn học bắt đầu thu thập bằng chứng khiến họ nghi ngờ vũ trụ có nhiều thứ hơn là mắt thường. Một trong những manh mối lớn nhất được đưa ra khi các nhà khoa học cố gắng xác định khối lượng của các thiên hà. Họ đã thực hiện điều này bằng cách đo gia tốc của các đám mây quay quanh rìa ngoài của một thiên hà, cho phép họ tính toán khối lượng cần thiết để gây ra gia tốc đó. Những gì họ tìm thấy thật đáng ngạc nhiên: Khối lượng đằng sau gia tốc quỹ đạo của các đám mây của thiên hà lớn gấp 5 lần khối lượng của những thứ bạn có thể thấy - sao và khí - trải khắp thiên hà. Họ kết luận rằng phải có một số vật chất vô hình bao quanh một thiên hà và giữ chúng lại với nhau. Họ gọi vật chất này là vật chất tối , mượn một thuật ngữ được nhà thiên văn học Thụy Sĩ Fritz Zwicky sử dụng lần đầu tiên vào những năm 1930.

Hai mươi năm sau, các nhà khoa học nhận thấy rằng siêu tân tinh loại Ia - những ngôi sao sắp chết có cùng độ sáng nội tại - ở xa thiên hà của chúng ta hơn đáng lẽ ra. Để giải thích quan sát này, họ cho rằng sự giãn nở của vũ trụ thực sự đang tăng tốc, hay còn gọi là tăng tốc. Điều này thật khó hiểu, bởi vì lực hấp dẫn vốn có trong vật chất tối đáng lẽ phải đủ mạnh để ngăn chặn sự giãn nở như vậy. Có phải một số vật chất khác, một thứ có tác dụng phản trọng lực, gây ra sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ? Các nhà thiên văn học tin như vậy và họ gọi vật chất này là năng lượng tối .

Trong một thập kỷ, các nhà vũ trụ học và vật lý lý thuyết đã tranh luận về sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối. Sau đó, vào tháng 6 năm 2001, NASA đã phóng tàu thăm dò dị hướng vi sóng Wilkinson , hay còn gọi là WMAP . Các thiết bị trên chiếc tàu này đã chụp được bức ảnh chi tiết nhất từ ​​trước đến nay về phông vi sóng vũ trụ - bức xạ còn sót lại từ Vụ nổ lớn. Điều này cho phép các nhà thiên văn đo lường, với độ chính xác cao, mật độ và thành phần của vũ trụ. Đây là những gì WMAP đã xác định: Vật chất Baryonic chiếm 4,6% nhỏ bé của vũ trụ. Vật chất tối chỉ chiếm 23%. Và năng lượng tối chiếm phần còn lại - một con số khổng lồ 72% [nguồn: NASA / WMAP ]!

Tất nhiên, việc đo lường tỷ lệ tương đối của các khối xây dựng của vũ trụ mới chỉ là bước khởi đầu. Hiện các nhà khoa học đang hy vọng xác định được các ứng cử viên có khả năng cho vật chất tối. Họ coi sao lùn nâu là một trong những ứng cử viên hợp lý. Những vật thể giống như sao này không phát sáng, nhưng lực hấp dẫn cường độ cao của chúng, ảnh hưởng đến các vật thể gần đó, cung cấp manh mối về sự tồn tại và vị trí của chúng. Các lỗ đen siêu lớn cũng có thể là vật chất tối trong vũ trụ. Các nhà thiên văn suy đoán rằng những hố sụt vũ trụ này có thể cung cấp năng lượng cho các chuẩn tinh ở xavà có thể dồi dào hơn nhiều so với tưởng tượng. Cuối cùng, vật chất tối có thể bao gồm một loại hạt chưa được mô tả. Những mảnh vật chất nhỏ bé này có thể tồn tại ở đâu đó sâu trong nguyên tử và có thể được xác định trong một trong những siêu máy va chạm trên thế giới, chẳng hạn như Máy va chạm Hadron Lớn.

Giải mã bí ẩn này vẫn là một trong những ưu tiên hàng đầu của khoa học. Cho đến khi giải pháp đó xuất hiện, chúng ta phải sống với ý nghĩ khiêm tốn rằng ngôi nhà mà chúng ta đã cố gắng cân trong nhiều năm nặng hơn chúng ta mong đợi và, rắc rối hơn, ngoài tầm hiểu biết của chúng ta.

Những bài viết liên quan