宇宙中的物質有多少？科學家算了出來，加上暗物質也只有31％

2020-10-04 八兩科學

　　當今宇宙，也就是人類通過眼睛或探測器、望遠鏡等看到的恆星、星系、塵埃，只佔宇宙物質總量的一丟丟而已，其餘的都是暗物質和更神秘的暗能量。在過去幾十年裡，科學家很難準確地計算出三者的比例。不過發表於《天體物理學雜誌》上的一項研究稱，美國科學家對宇宙物質總量進行了迄今為止最精確的測量，結果顯示，普通物質和看不見的暗物質（dark matter）的總和佔宇宙物質總量的31.5％，剩餘的68.5％都是暗能量（dark energy）。

　　據悉，來自美國加州大學河濱分校的天文學家穆罕默德·阿卜杜拉（Mohamed Abdullah）團隊通過使用了一系列工具和「銀河軌道(galactic orbit)」的方法來計算宇宙中有多少物質。為了計算這一點，他們首先研究了單個星系中的物質，然後研究了它如何繞過相鄰星系，最後擴大到整個宇宙。

　　算出的結果是，物質（普通物質+暗物質）佔宇宙的31.5％，其餘部分是由「未知形式的能量」的暗能量構成。而在31.5％的物質中，80%是由暗物質組成。也就是說在整個宇宙中，氣體、塵埃、行星、恆星、星系團僅佔20％，有點微不足道呀。

　　阿卜杜拉表示：「如果把宇宙中的所有物質均勻地分布在整個空間中，那麼它的平均質量密度就相當於每立方米只有大約六個氫原子。雖然我們知道80％的物質是暗物質，但實際上，大多數物質不是由氫原子組成，而是由天文學家尚未理解的一種物質組成。」

　　他補充解釋，要準確地確定宇宙中有多少物質並不是一件容易的事，這既依賴於觀測，也依賴於模擬。為此團隊開發出一種準確性超過98％的測量星團質量的工具，藉此分析了「斯隆數字巡天調查」望遠鏡收集的觀測數據，並創建了星系團目錄「GalWCat19」。然後將這些星團與星系的數值模擬進行比較，以計算宇宙中物質總量，得出了誤差不超過1.3%的31.5％的宇宙物質總量。

　　既然宇宙中的暗物質是看不見的，為何科學家都傾向於相信它們是存在宇宙中的呢？答案很簡單，看不見但可以算出來。科學家能夠知道這些物質與能量的存在，不是它們所發出的光、電波、X光等，而是重力效應。

　　其實暗物質的發現跟一位叫薇拉·魯賓（Vera Rubin）女天文學家有關，她在1970年研究銀河系與其他大型渦狀星系的運動時，發現星系中心外圍的恆星速率並沒有如預期地減慢。恆星速率未減，又沒有被速度扯散，必須有大量的物質在束縛這些高速運動的恆星。由於看不見、摸不著、又不發出電磁波，實在是搞不懂是什麼，所以稱之為「暗物質」。

　　舉個簡單的例子：

　　太陽系裡，水星公轉的速度最快，繞太陽運行一周只需要88天，接著金星224天、地球365天、火星687天、木星12年等。換句話說，行星的速度是由裡到外、從快到慢的模式，非常符合克卜勒定律。但是在螺旋星系（Spiral Galaxy)裡，所謂的克卜勒定律或者牛頓定律都不適用，因為在螺旋星系裡，行星從裡到外的速度都沒有變化。

　　那咋辦？難道要承認牛頓定律是錯的嗎？要是承認牛頓定律是錯的，那整個人類的物理學基礎都要改寫了。所以科學家認為，這些螺旋星系外面包裹了暗物質，而暗物質也是有萬有引力的。這樣一來，螺旋星系的速度不變，又不用把牛頓嚇得從棺材裡跳出來。

　　總的來說，暗物質非常神秘、無影無形，從本質上它還是天文學家對宇宙觀察中推測出來的理論模型，因為至今找不到證明暗物質存在的證據。所以暗物質是現代天文學中最尷尬而又令科學家抓狂的一個謎。

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