直徑940億光年的宇宙中,到底裝了多少物質?科學家出最新結構

天空之城 2020/10/01 檢舉 我要評論

1789年,英國著名物理學家卡文迪許通過扭秤實驗計算出了地球的品質。從那一天開始,人類計算出來的天體品質就越來越多。

如今,我們不僅知道地球、月球的品質,還能夠計算太陽系各大天體的品質,甚至包括系外行星、恒星乃至星系的品質,我們也有一套推導方法。可是,宇宙中的天體這麼多,星系總數甚至可能達到數萬億個,我們不可能一個個地進行測量。

即使能夠測量這些天體的品質,也不代表宇宙的品質就能夠輕鬆獲得。我們現在知道,這些可見物質僅僅占了宇宙非常小的一部分,宇宙絕大部分還是被暗物質和暗能量所佔據。二者都不與可見物質產生反應,但是暗物質可以提供引力,而暗能量則是宇宙膨脹的動力。

想要瞭解宇宙中到底包含了哪些物質,我們就要清楚地瞭解這三者之間的比例。然而說起來簡單,實際探測卻談何容易。而且,根據不同的宇宙模型,三者的比例也不盡相同。

最近,來自于加州大學河濱分校和埃及國家天文學和地球物理學研究所的天文學家Mohamed Abdullah和他的團隊宣佈,他們進行了一次迄今為止最精確的宇宙測量,得到了可見物質、暗物質與暗能量的精確比例。他們的結論是,宇宙中所有可見物質和暗物質,佔據了宇宙能量密度的31.5%,而暗能量則佔據了其餘的68.5%。

Abdullah形象地為我們描述了這個概念:「如果宇宙中所有的物質都平均地排列在太空中的話,這個密度大約相當於每立方釐米內有差不多6個氫原子。」

這個數字已經足夠驚人了,因為僅僅地球的品質就是59.8萬億億噸,擁有著海量的物質更不用說太陽、黑洞乃至星系了。然而,這麼多物質如果分攤到整個宇宙空間,竟然是如此空曠。實際情況是,宇宙比這還要更加空曠。因為Abdullah的比喻中的氫原子只是品質的代表,實際上這些品質並不完全來自於氫原子。因為,這些物質中有80%都是暗物質。也就是說,如果是所有可見物質平均分配的話,宇宙中每立方米中只有1個氫原子多一點的品質!

那麼,Abdullah的團隊究竟是怎樣得到這個數字的呢?

在發表於《天體物理學雜誌》上的論文中,Abdullah介紹說,他們的這次研究,參考了星系團中天體的運動情況。我們知道,宇宙中天體的運行方式取決於引力,而引力又是品質的一種表現。這些包含著幾百甚至幾千個星系的星系團,就是在宇宙138億年的漫長歷史中在引力作用下聚集在一起的物質所組成的。在一個空間內我們能觀測到的星系團數量,也是和品質密切相關的。因此,通過星系團物質的數量,我們對這個空間的品質進行簡單的推測。

問題在於,這也不是那麼容易測量的。

Abdullah指出:這些星系團中大部分都是暗物質,這給測量帶來了很大的麻煩。為此,他們採用了一種名叫GalWeight的技術,來解決這個問題。這種技術的原理就是觀測一個星系團內部和周圍星系的運動軌道,確定觀測的星系到底是不是屬於某個特定的星系團,其測量的準確率高達98%。這樣一來,他們就可以對這個星系進行更精確的測量,獲得更加準確的結果。

新墨西哥州立大學的天文學家Anatoly Klypin是本次研究的參與者之一,他自信地說:「我們使用的GalWeight星系軌道技術擁有一個巨大的優勢,那就是讓我們團隊不再需要依賴那些間接的統計學方法,而是可以單獨確定某個星系團的品質。」

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