科学家精确测量宇宙中的物质总量

来源:环球科学发布时间:2020-10-15

宇宙学的一个终极目标就是精确测量宇宙中的物质总量,哪怕是最精通数学的人也会觉得这个任务无比艰巨。但加州大学河滨分校的一组科学家已经做到了。	

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根据他们在《天体物理学杂志》上发表的文章,该团队确定,物质占宇宙物质和能量总量的31%,剩余的由暗能量组成。


论文的第一作者、加州大学河滨分校物理和天文学系毕业生穆罕默德·阿卜杜拉说:“如果让所有物质均匀地分布在整个宇宙空间,那么它的平均质量密度将相当于每立方米只有六个氢原子这样。但是,由于我们知道80%的物质其实是暗物质,事实上,大多数物质并非由氢原子组成,而是由一种宇宙学家尚未弄明白的物质组成。”


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研究团队确定,物质占宇宙物质和能量总量的31%。宇宙学家认为,约20%的物质由规则的或“重子”物质组成,其中包括恒星、星系、原子和生命,而剩下的80%由暗物质组成。暗物质的神秘性质至今无人知晓,但可能包含某些尚未发现的亚原子粒子。


阿卜杜拉解释说,确定宇宙中物质总量的一个成熟方法是,将观察到的每单位体积星系团的数量和质量,与数值模拟的预测结果进行比较。由于当今的星系团是由在其自身引力作用下,在过去数十亿年坍塌的物质而组成,因此,当前观测到的星系团数量对宇宙学情况——尤其是物质总量——十分敏感。


“更高比例的物质将带来更多的星系团,”阿卜杜拉说,“我们团队面临的挑战则是测量星系团的数量,然后确定哪个答案‘更正确一些’。但是我们又很难精确测量任何一个星系团的质量,因为大多数物质都是黑暗的,我们无法用望远镜观测。”


为了克服这个困难,以加州大学河滨分校团队为首的天文学家率先发明了“GalWeight”——利用成员星系的轨道来测量该星系团质量的宇宙学工具。然后,研究人员将他们的工具应用于斯隆数字巡天探测中心的观测数据,以创建“GalWCat19”,即公开可用的星系团目录。最后,他们将新目录中的星系团数量与模拟结果进行比较,从而确定宇宙中的物质总量。


团队将他们测量的星系团数量与数值模拟的预测结果进行比较,以确定哪个答案“更正确一些”。

团队将他们测量的星系团数量与数值模拟的预测结果进行比较,以确定哪个答案“更正确一些”。


“我们已经成功地使用星系团技术完成了有史以来最精确的一次测量,”论文合作者、加州大学河滨分校的物理学和天文学教授吉利安·威尔逊说,“此外,这也是星系轨道技术的首次使用。该技术获得的数值与使用非星系团技术(如宇宙微波背景各向异性、重子声学振荡、Ia型超新星或引力透镜)获得的数值相一致。”


“使用GalWeight星系轨道技术的巨大优势在于,我们团队可以单独确定每一个星系团的质量,而无需依赖间接的统计方式,”论文的第三作者安托里·克里平说。


通过将他们的测量结果与使用其他测量方式的团队得到的结果相比较,加州大学河滨分校的团队可以确定最佳的组合值,得出结论,认为物质占宇宙物质和能量总量的31.5±1.3%。(匀琳)

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