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科学家如何测量宇宙的质量?两种方法得到两种答案,科学家有点晕

2020/7/5 0:51:07 来源:原创 浏览:

爱因斯坦告诉我们:质量和能量是可以相互转化的。这意味着,宇宙有多少质量,就有多少能量,那么,我们的宇宙到底有多少质/能量呢?

对于很多天文爱好者来说,天体的直径和体积一直是他们最感兴趣的内容。比如盾牌座 UY 内能装下50亿颗太阳、木星的大红斑比地球还大、IC 1101的直径是银河系的20多倍……

不过,对于天文学家来说,直径或者体积只是天体的一个方面。对于天体最重要的物理参数,应该是它的质量。

质量的重要性

早在二百多年前,英国科学家卡文迪许就测量出了地球的质量。到了现代,我们对太阳系内的主要天体都已经非常了解,其质量的数值也越来越精确,甚至还能计算几十亿甚至一百亿光年以外天体的质量。那么,科学家是否能够估算整个宇宙的质量呢?

这个问题非常重要,因为根据爱因斯坦的质能方程(E=mc^2)可知:宇宙拥有多少质量意味着宇宙有多少能量。

同时,质量又等价于引力,宇宙的引力又决定着宇宙的命运。我们知道,宇宙是在膨胀中的。如果宇宙质量足够大,那么它或许有机会和暗能量抗衡,让宇宙重新收缩;如果宇宙的质量太小,那么它就会永远膨胀下去。

因此,对于科学家来说,宇宙的质量是非常重要的参数。

测量宇宙质量的难度

可是,测量宇宙的质量不是那么容易的。首先,我们要知道宇宙中有多少物质。就像上班时分解任务一样,我们也可以一点点分解宇宙。根据我们对银河系的观测,我们可以大致推测恒星的平均质量是多少。而通过对河外星系的观测,可以粗略估算每一个星系内有多少恒星。接下来的问题就是:宇宙中有多少星系?

这就有赖于哈勃望远镜传回的哈勃极端深场图片。科学家利用哈勃太空望远镜选取了夜空中极小的一块区域进行长时间观测,拍摄下了海量的星系。根据这张图片里星系的数量以及它所占全天面积的比例,就可以估算宇宙中星系的总数。最新推测结果告诉我们:宇宙中大约有20000亿个星系。

看起来,宇宙的质量已经有点眉目了。但是,我们的工作远远没有结束。宇宙中还有大量的尘埃云、星系中的中性氢气,同样拥有着不可忽略的质量。即便这些尘埃云黑洞等等天体的质量都被推测出来,它们也仅仅是宇宙中可见物质的质量。我们知道,宇宙中还有大量的暗物质暗能量,它们同样贡献着宇宙的质量。

因此,想要知道宇宙的质量,需要考虑到所有这些因素,这给科学家们带来了极大的难度。

方法1:宇宙微波背景辐射

为此,科学家们提出了Λ冷暗物质模型(Lambda cold dark matter),又叫LCDM模型。LCDM是宇宙学标准模型的核心,认为宇宙总能量由68.3%的暗能量、26.8%的暗物质和4.9%的可见物质组成。这个理论目前被广泛接受,并且允许通过新的观测数据进行调整。

在20世纪90年代,LCDM模型首次被提出,它基于广义相对论等理论对宇宙进行了描述,并且通过宇宙微波背景辐射的观测进行校正。宇宙微波背景辐射,是宇宙大爆炸留下的余辉,我们可以通过它的波动了解宇宙的膨胀速度,从而推测宇宙的密度。

知道了宇宙的密度,也就等于知道了宇宙的质量。

方法2:引力透镜效应

除了LCDM模型之外,我们还可以通过引力透镜效应来计算遥远星系的质量。引力透镜效应同样来自于爱因斯坦的广义相对论,指的是大质量天体导致光线的弯曲,导致在它后面的天体发出的光经过偏折射到地球,被我们观测到。因此,只要知道某个天体能让后面的天体发生多大的偏折,我们就可以计算出它的质量。

不过问题在于,遥远天体的位置在短时间内是不会发生我们看得出的变化的,因此我们很难知道后面的那个天体原本是什么模样,甚至都不知道已经观测到的天体到底是被偏折过才看见的还是原本就在那个位置上的。

想要确认这一点,我们只能从统计学的角度上来分析。通过大规模的观测,我们可以得出星系的“平均形状”。然后将目标星系与这个相对平均的形状对比,从而在统计学上推测它被偏折的程度。目前,有些科学家正在从事这项工作,这个项目叫做千度巡查(Kilo-Degree Survey)。

当然,单纯通过引力透镜效应,我们只能知道少数星系的质量。我们不可能把20000亿个星系一个个测量质量,所以只能通过这个方式进一步推测宇宙的密度。为此,我们需要测量这些星系的距离,通过距离就可以知道它们的光线被偏折了多少,从而推测出它们和地球之间有多少物质,进而求出这一片宇宙区域的总质量。

接下来,只要对各个方向的星系进行探测,就可以推测整个宇宙的质量了。

两种方法,两个结果

对于未被证实的理论,我们期待着用不同种方法得到同样的结果,这样它们就可以互相佐证,证明我们的推测是正确的。可惜的是,理想很丰满,现实很骨感。通过宇宙微波背景辐射和引力透镜效应得到的宇宙密度,是两个不同的数值。这已经不是科学家第一次面临这样的尴尬了,在推测哈勃常数的时候,不同的科学家得到的结果也大相径庭。

科学家推测:之所以出现数据的偏差,有可能在于方法一中使用的标准宇宙模型有问题。在这个模型中,人们假定宇宙中的暗能量是不变的。不过,科学家通过引力透镜效应法计算的宇宙质量更符合另一种宇宙模型,其中的一条假设就是暗能量处于不断增加的过程中。

这个说法有点意思,看起来似乎很好地解释了两种方法得到不同结果的原因,但是这个说法仍然需要证实。实际上,关于暗能量在不断增加的理论早就出现了,不过一直没有得到完全的证实。或许随着科学家对于遥远星系红移的观测,抑或其他一些新的发现,能够证明这一个猜想。

所以,我们还是回到了问题的起点:不论是宇宙的质量还是暗能量的数值,最终影响的都是宇宙最后的命运。

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