七成是暗能量,科學家利用新技術精確測量了宇宙物質總量

2021-01-13 澎湃新聞
七成是暗能量，科學家利用新技術精確測量了宇宙物質總量

2020-10-02 06:28 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

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根據《天體物理》雜誌刊登的最新研究成果，美國加州大學河濱分校（University of California, Riverside，簡稱UCR）的研究團隊精確測定了宇宙中的物質總量，確定物質佔宇宙物質和能量總量的31%，其餘部分則由暗能量組成。

宇宙學一直以為的最高目標就是精準測量宇宙中的物質總量。圖｜UC Riverside University

「以這個數量的物質為背景，如果宇宙中所有的物質在空間中均勻地分布，那麼宇宙的平均質量密度僅相當於每立方米6個氫原子。」論文第一作者、UCR物理與天文學系的研究生穆罕默德·阿卜杜拉（Mohamed Abdullah）說，「然而，由於我們知道80%的物質實際上是暗物質，事實上，這些物質中的大多數不是由氫原子組成的，而是一種宇宙學家也還不了解的物質。」

這張哈勃太空望遠鏡合成圖像顯示:在星系團Cl 0024+17中，有一個幽靈般的暗物質「環」。圖｜NASA

阿卜杜拉解釋說，一種行之有效的測定宇宙物質總量的方法，是將觀測到的每單位體積星系團的數量和質量，與模擬計算值進行比較——現在的星系團是幾十億年來，受自身重力作用而崩塌的物質構成的，所以目前觀測到的星系團數量可以反映宇宙的狀況，尤其是物質總量。

Abell 2384系統的合成圖，該系統由位於距離地球12億光年的兩個星系團組成。圖｜SciTech Daily

阿卜杜拉說：「物質越多，星系團也越多。我們團隊面臨的最大挑戰是測量星系團的數量，然後確定哪個答案『剛剛好』。但是很難精確測量任何星系團的質量，因為大部分是暗物質，我們無法用望遠鏡觀測。」

為了克服這一困難，UCR領導的天文學家團隊首先開發了「GalWeight」——一種利用星系團成員的軌道，測量星系團質量的宇宙學工具。研究人員隨後將他們的工具應用於斯隆數字天空調查（Sloan Digital Sky Survey，簡稱SDSS）的觀測，創建了「GalWCat19」，一個公開的星系團目錄。最後，他們將新目錄中的星團數量與模擬結果進行比較，以確定宇宙中物質的總量。

「我們已經成功地利用星系團技術進行了有史以來最精確的測量之一。」合著者、加州大學物理和天文學教授吉利安·威爾遜（Gillian Wilson）說，她也是阿卜杜拉所在實驗室的負責人。「此外，這是首次使用星系軌道技術，得到的數值與使用非星系團技術，如宇宙微波背景、重子聲波振蕩、Ia型超新星或引力透鏡的團隊獲得的數值一致。」

第三作者、數值模擬和宇宙學專家阿納託裡·克裡平（Anatoly Klypin）說：「使用GalWeight星系軌道技術的一個巨大優勢是，我們的團隊能夠單獨測定每個星系團的質量，而不是依賴更間接的統計方法。」

通過將他們的測量結果與其他使用不同技術的團隊測量數據相結合，UCR領導的團隊測定了最優組合值，得出結論：物質佔宇宙物質和能量總量的31.5%，誤差±1.3%。

研究小組確定，物質約佔宇宙物質和能量總量的31%。其中約有20%是由規則物質或「重子」構成的，它們組成了恆星、星系、原子和生命。圖｜UCR/Mohamed Abdullah

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關鍵詞 >> 宇宙物質

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