Cấu tạo vũ trụ – Lý thuyết, Công thức và Trắc nghiệm

1. Giới thiệu về vũ trụ

Vũ trụ là toàn bộ không gian, thời gian, vật chất và năng lượng. Nó bao gồm mọi thứ tồn tại, từ các hạt nhỏ hơn nguyên tử đến các ngôi sao lớn nhất. Vũ trụ cũng bao gồm tất cả các dạng năng lượng, từ ánh sáng mà chúng ta thấy đến các sóng vô tuyến và tia X vô hình. Thời gian cũng là một phần của vũ trụ, bắt đầu từ khi vũ trụ bắt đầu. Các nhà khoa học ước tính rằng vũ trụ đã tồn tại khoảng 13.7 tỷ năm.

2. Thành phần của vũ trụ

Vũ trụ được chia thành ba phần chính: vật chất thông thường, vật chất tối và năng lượng tối. Vật chất thông thường chiếm khoảng 5% vũ trụ, vật chất tối chiếm khoảng 27%, và năng lượng tối chiếm khoảng 68%.

3. Vật chất thông thường

Vật chất thông thường bao gồm các nguyên tử và phân tử, các nguyên tố nhẹ như hydro và heli, và các nguyên tố nặng hơn. Các ngôi sao, hành tinh, và các thiên thể khác đều được tạo thành từ vật chất thông thường.

4. Vật chất tối

Vật chất tối là một dạng vật chất không tương tác với ánh sáng hoặc trường điện từ, nhưng có thể được suy ra từ các hiệu ứng hấp dẫn mà nó gây ra. Vật chất tối chiếm khoảng 85% tổng khối lượng của vũ trụ và được cho là bao gồm các hạt hạ nguyên tử chưa được phát hiện như WIMPs hoặc axions.

5. Năng lượng tối

Năng lượng tối là một dạng năng lượng chưa được hiểu rõ, có tác dụng làm tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ. Năng lượng tối chiếm khoảng 68% tổng năng lượng của vũ trụ và có mật độ rất thấp, nhưng lại chiếm ưu thế vì nó phân bố đều khắp không gian.

6. Các cấu trúc lớn trong vũ trụ

Vũ trụ hiển thị cấu trúc trên nhiều quy mô vật lý khác nhau, từ các vệ tinh quay quanh hành tinh đến các siêu đám thiên hà, các tấm thiên hà, các sợi và các khoảng trống lớn. Các cấu trúc này được gọi là “cấu trúc lớn” của vũ trụ và được quan sát rõ ràng trong các khảo sát dịch chuyển đỏ của thiên hà.

7. Thiên hà

Thiên hà là một hệ thống các ngôi sao, khí và bụi được giữ lại với nhau bởi lực hấp dẫn. Có bốn loại thiên hà chính: thiên hà elip, thiên hà xoắn ốc, thiên hà xoắn ốc có thanh chắn và thiên hà bất định hình.

8. Hệ mặt trời và các hành tinh

Hệ mặt trời của chúng ta là một phần của thiên hà Milky Way và bao gồm Mặt Trời và các hành tinh quay quanh nó. Các hành tinh trong hệ mặt trời bao gồm Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất, Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, cùng với các vệ tinh của chúng.

9. Các ngôi sao

Ngôi sao là các quả cầu khí nóng, chủ yếu là hydro và heli, phát sáng do các phản ứng nhiệt hạch trong lõi của chúng. Các ngôi sao có thể được phân loại theo kích thước, nhiệt độ và độ sáng. Vòng đời của một ngôi sao bao gồm các giai đoạn từ hình thành, dãy chính, khổng lồ đỏ, và cuối cùng là tàn dư sao như sao lùn trắng, sao neutron hoặc lỗ đen.

10. Các hiện tượng vũ trụ

Các hiện tượng vũ trụ bao gồm siêu tân tinh, lỗ đen và sao neutron. Siêu tân tinh là các vụ nổ mạnh mẽ của các ngôi sao lớn, lỗ đen là các vùng không gian có lực hấp dẫn mạnh đến mức không gì có thể thoát ra, và sao neutron là các tàn dư của các ngôi sao lớn sau khi chúng đã nổ tung.

11. Sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ

Lý thuyết Big Bang là lý thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất về sự hình thành của vũ trụ. Theo lý thuyết này, vũ trụ bắt đầu từ một điểm nóng và vô cùng đặc, sau đó nổ tung và giãn nở. Sự giãn nở này vẫn tiếp tục cho đến ngày nay.

12. Bức xạ nền vũ trụ (CMB)

Bức xạ nền vũ trụ là bức xạ còn lại từ thời kỳ đầu của vũ trụ, khi vũ trụ còn rất nóng và đặc. Bức xạ này cung cấp bằng chứng quan trọng về sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ.

13. Các phương pháp nghiên cứu vũ trụ

Các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để nghiên cứu vũ trụ, bao gồm quan sát thiên văn và mô phỏng máy tính. Các kính viễn vọng lớn và các vệ tinh như Hubble và James Webb giúp quan sát các thiên thể xa xôi và thu thập dữ liệu về vũ trụ.

14. Các thách thức và câu hỏi chưa được giải đáp

Có nhiều câu hỏi chưa được giải đáp về vũ trụ, bao gồm bản chất của vật chất tối và năng lượng tối, hình dạng và kích thước của vũ trụ, và số phận cuối cùng của vũ trụ.

15. Tương lai của nghiên cứu vũ trụ

Nghiên cứu vũ trụ tiếp tục tiến triển với các dự án và sứ mệnh mới. Các kính viễn vọng và vệ tinh tương lai sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về vũ trụ và khám phá những bí ẩn chưa được giải đáp.

Công thức

1. Mô hình Vũ trụ Phẳng (Flat Universe Model)

$$
H^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho
$$
Trong đó $H$ là hằng số Hubble, $G$ là hằng số hấp dẫn, và $\rho$ là mật độ năng lượng.

2. Phương trình Friedmann

$$
\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}
$$
Trong đó $a$ là hệ số tỷ lệ, $\dot{a}$ là đạo hàm theo thời gian của $a$, và $k$ là hằng số cong.

3. Phương trình Continuity

$$
\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0
$$
Trong đó $p$ là áp suất.

4. Phương trình Raychaudhuri

$$
\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)
$$

5. Mô hình Vũ trụ Mở (Open Universe Model)

$$
H^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{1}{a^2}
$$

6. Mô hình Vũ trụ Đóng (Closed Universe Model)

$$
H^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho + \frac{1}{a^2}
$$

7. Phương trình Trạng thái của Vật chất Tối

$$
p = w \rho
$$
Trong đó $w$ là tham số trạng thái.

8. Phương trình Trạng thái của Năng lượng Tối

$$
p = -\rho
$$

9. Phương trình Einstein

$$
R{\mu\nu} – \frac{1}{2} R g{\mu\nu} + \Lambda g{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T{\mu\nu}
$$
Trong đó $R{\mu\nu}$ là tensor Ricci, $R$ là độ cong vô hướng, $g{\mu\nu}$ là metric tensor, $\Lambda$ là hằng số vũ trụ, và $T_{\mu\nu}$ là tensor năng lượng-động lượng.

10. Phương trình Tăng trưởng Cấu trúc

$$
\ddot{\delta} + 2H\dot{\delta} – 4\pi G \rho \delta = 0
$$
Trong đó $\delta$ là độ tương phản mật độ.

Câu hỏi trắc nghiệm (có đáp án)

1. Tuổi của vũ trụ là bao nhiêu
A. $13.8 \times 10^3$ năm
B. $13.8 \times 10^6$ năm
C. $13.8 \times 10^9$ năm
D. $13.8 \times 10^{12}$ năm
Đáp án: C

2. Phương trình Friedmann đầu tiên cho vũ trụ phẳng là gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: B

3. Hằng số Hubble $H_0$ có đơn vị là gì
A. km/s
B. km/s/Mpc
C. m/s
D. m/s^2
Đáp án: B

4. Phương trình trạng thái của năng lượng tối là gì
A. $p = w \rho$
B. $p = -\rho$
C. $p = \rho$
D. $p = 0$
Đáp án: B

5. Vũ trụ được cho là bắt đầu từ sự kiện nào
A. Vụ Nổ Lớn (Big Bang)
B. Vụ Nổ Nhỏ (Small Bang)
C. Vụ Nổ Trung Bình (Medium Bang)
D. Vụ Nổ Lớn Nhất (Biggest Bang)
Đáp án: A

6. Phương trình Raychaudhuri cho vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng là gì
A. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
C. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
D. $\frac{\ddot{a}}{a} = \frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
Đáp án: A

7. Phương trình Friedmann thứ hai cho vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng là gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
B. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
C. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
D. $\frac{\ddot{a}}{a} = \frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
Đáp án: B

8. Phương trình Continuity cho vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng là gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
B. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
C. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
D. $\frac{\ddot{a}}{a} = \frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
Đáp án: C

9. Phương trình Einstein cho vũ trụ là gì
A. $R{\mu\nu} – \frac{1}{2} R g{\mu\nu} + \Lambda g{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T{\mu\nu}$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: A

10. Mô hình vũ trụ phẳng (Flat Universe Model) có phương trình gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: B

11. Mô hình vũ trụ mở (Open Universe Model) có phương trình gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{1}{a^2}$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: A

12. Mô hình vũ trụ đóng (Closed Universe Model) có phương trình gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho + \frac{1}{a^2}$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: A

13. Phương trình trạng thái của vật chất tối là gì
A. $p = w \rho$
B. $p = -\rho$
C. $p = \rho$
D. $p = 0$
Đáp án: A

14. Phương trình tăng trưởng cấu trúc là gì
A. $\ddot{\delta} + 2H\dot{\delta} – 4\pi G \rho \delta = 0$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: A

15. Hằng số Hubble $H_0$ có giá trị gần đúng là bao nhiêu
A. 50 km/s/Mpc
B. 70 km/s/Mpc
C. 90 km/s/Mpc
D. 100 km/s/Mpc
Đáp án: B

16. Vũ trụ được cho là mở rộng với tốc độ nào
A. Tốc độ ánh sáng
B. Tốc độ âm thanh
C. Tốc độ Hubble
D. Tốc độ vũ trụ
Đáp án: C

17. Phương trình Friedmann cho vũ trụ phẳng với năng lượng tối là gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho + \frac{\Lambda}{3}$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: A

18. Phương trình Friedmann cho vũ trụ mở với năng lượng tối là gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{1}{a^2} + \frac{\Lambda}{3}$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: A

19. Phương trình Friedmann cho vũ trụ đóng với năng lượng tối là gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho + \frac{1}{a^2} + \frac{\Lambda}{3}$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: A

20. Phương trình Friedmann với năng lượng tối và vật chất tối là gì
A. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} (\rho_m + \rho_\Lambda)$
B. $\left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho – \frac{k}{a^2}$
C. $\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p)$
D. $\dot{\rho} + 3 \frac{\dot{a}}{a} (\rho + p) = 0$
Đáp án: A