Bằng chứng thực nghiệm
Nói chung, có ba bằng chứng chủ yếu ủng hộ lý thuyết vụ nổ lớn về nguồn gốc vũ trụ. Đó là định luật Hubble cho thấy sự giãn nở của vũ trụ dựa trên sự dịch chuyển đỏ của các thiên hà; việc tìm ra bức xạ phông vi sóng vũ trụ; và sự thống trị của các nguyên tố nhẹ. (Xem thêm tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn). Hơn nữa, các hàm liên kết của các cấu trúc tại các nấc thang vĩ mô của vũ trụ hoàn toàn trùng khớp với lý thuyết Vụ Nổ Lớn.
Định luật Hubble về sự giãn nở của vũ trụ
Các quan sát về các thiên hà và các quasar xa xôi cho thấy rằng ánh sáng từ chúng phát ra bị dịch chuyển về phía các ánh sáng có bước sóng dài hơn (dịch chuyển đỏ) và sự dịch chuyển đó tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng. Sự dịch chuyển ánh sáng được rút ra từ phổ tần số của vật thể khi so sánh với các vạch phổ phát xạ hoặc hấp thụ của nguyên tử của các nguyên tố tương tác với bức xạ. Sự dịch chuyển đỏ này được giải thích bằng hiệu ứng Doppler đối với ánh sáng khi nguồn phát chuyển động ra xa nguồn thu. Sự dịch chuyển về phía bước sóng dài tỷ lệ với khoảng cách và hiện tượng này được biểu diễn bằng định luật Hubble như sau:
v = Ho.D
Trong đó v vận tốc rời xa, D khoảng cách và H0 hằng số Hubble có giá trị bằng 71 ± 4 km/giây/Mpc.
Bức xạ phông vũ trụ
Lý thuyết vụ nổ lớn tiên đoán về sự tồn tại của bức xạ phông vi sóng vũ trụ được tạo thành từ các quang tử phát ra từ giai đoạn sinh hạt baryon. Vì vũ trụ thời kỳ sơ khai ở trạng thái cân bằng nhiệt động nên nhiệt độ của bức xạ và plasma bằng nhau cho đến khi plasma tái hợp. Trước khi nguyên tử được hình thành thì bức xạ bị hấp tụ và tái phát xạ đều trong một quá trình gọi là tán xạ Compton: vũ trụ vào giai đoạn sơ khai không trong suốt với ánh sáng. Tuy nhiên, quá trình nhiệt độ của vũ trụ bị giảm đi khi giãn nở làm cho nhiệt độ xuống thấp hơn 3000 K, tại nhiệt độ này thì điện tử và hạt nhân kếp hợp với nhau để tạo ra nguyên tử và các plasma nguyên thủy bị biến thành khí trung hòa. Quá trình này được gọi là quá trình giải phóng quang tử. Một vũ trụ chỉ gồm các nguyên tử trung hòa cho phép bức xạ truyền qua mà không bị cản trở nhiều.
Vì tại các giai đoạn sớm, vũ trụ ở trong trạng thái cân bằng nhiệt động nên bức xạ từ thời điểm này có phổ phân bố giống như phổ phát xạ của một vật đen được truyền một cách tự do cho đến ngày nay sẽ bị dịch chuyển đỏ theo định luật Hubble. Bức xạ đó phải được giống nhau theo mọi hướng trong không gian.
Năm 1964, Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ khi họ tiến hành nghiên cứu một máy thu tín hiệu vi sóng ở phòng thí nghiệm Bell. Khám phá của họ đã khẳng định tiên đoán về bức xạ phông vũ trụ, một bức xạ đẳng hướng và đồng nhất phân bố giống như phổ phát xạ của vật đen có nhiệt độ khoảng 3 K. Penzias và Wilson được trao giải Nobel về vật lý nhờ khám phá này.
Ảnh chụp của WMAP về bức xạ phông vi sóng vũ trụ
Năm 1989, cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ NASA đã phóng vệ tinh thăm dò phông vũ trụ (COBE), các kết quả ban đầu quan sát được rất phù hợp với các tiên đoán của lý thuyết vụ nổ lớn liên quan đến bức xạ phông vũ trụ. COBE đã tìm thấy nhiệt độ dư là 2,726 K và xác định được rằng bức xạ đó là đẳng hướng với độ chính xác 10^-5. Vào những năm 1990, tính dị hướng của bức xạ phông vũ trụ được nghiên cứu rất chi tiết bằng rất nhiều các thí nghiệm và kết quả là về mặt hình học, vũ trụ là phẳng (xem hình dáng của vũ trụ).
Vào đầu năm 2003 các kết quả từ vệ tinh dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) được phóng và đã thu được các giá trị chính xác nhất về các thông số vũ trụ. Vệ tinh này cũng loại bỏ một số mô hình lạm phát vũ trụ đặc biệt nhưng nhìn chung thì các kết quả phù hợp với lý thuyết lạm phát.
Sự hình thành các nguyên tố cơ bản
Sử dụng mô hình vụ nổ lớn, người ta có thể tính được mật độ helium-4, helium-3, deuterium và lithium-7 trong vũ trụ so với mật độ của hydrogen dựa trên tỷ lệ quang tử/baryon. Tỷ lệ tính toán là khoảng 0,25 đối với 4He/H, khoảng 10^-3 đối với 2H/H, khoảng 10^-4 đối với 3He/H và khoảng 10^-9 đối với 7Li/H.
Tất cả cá giá trị đều rất phù hợp với tính toán từ tỷ lệ baryon/quang tử. Đây cũng được coi là một trong những bằng chứng rõ ràng nhất về vụ nổ lớn, đây là lý thuyết duy nhất có thể giải thích được sự thống trị của các nguyên tố nhẹ trong vũ trụ. Trên thực tế, không có kết quả thực nghiệm nào nằm ngoài khuôn khổ lý thuyết vụ nổ lớn, ví dụ, vũ trụ có nhiều helium hơn deuterium hoặc có nhiều deuterium hơn 3He.
Sự phân bố và tiến hóa của các thiên hà
Các nghiên cứu thực nghiệm về hình dáng và phân bố của các thiên hà và các quasar đã cho những bằng chứng rất thuyết phục về vụ nổ lớn. Kết hợp các quan sát và tính toán lý thuyết gợi ý rằng các quasar và các thiên hà được hình thành khoảng một tỷ năm sau vụ nổ lớn, và từ đó các cấu trúc lớn hơn được hình thành như các nhóm thiên hà, đám thiên hà và siêu đám thiên hà. Các ngôi sao cũng già đi và tiến hóa, do đó, các thiên hà xa xôi (chúng ta thấy ở chúng ở giai đoạn sớm của vũ trụ) sẽ rất khác các thiên hà gần hơn (chúng ta sẽ thấy chúng ở giai đoạn muộn hơn). Hơn nữa, các thiên hà hình thành gần đây sẽ rất khác với các thiên hà cũng ở gần như thế nhưng hình thành tại các giai đoạn rất sớm sau vụ nổ lớn. Các quan sát này là các chứng cớ phủ nhận mô hình trạng thái dừng. Các quan sát về sự hình thành các ngôi sao, sự phân bố của các thiên hà và quasar, và các cấu trúc lớn hơn phù hợp rất tốt với mô hình lý thuyết về cấu trúc của vũ trụ và cho phép hoàn thiện các tính toán chi tiết.
(Còn nữa...)