从暗物质、暗能量，到标准宇宙模型，人类对宇宙的探索永无止境

buzhy

出品：科普中国

制作：中科院物理所科学传播协会

监制：中国科学院计算机网络信息中心

宇宙“丢失”了80%的质量

我想知道一个星系有多重，有什么方法呢？基于对宇宙中物质发光特点的了解，我可以通过观测星系的亮度，判断里面有多少物质，也可以通过观测其物质运动，根据动力学原理，计算出有多少质量。

1933年，瑞士天文学家兹维基就是这样估计星系团的质量的。他惊讶地发现，这两种方法测出来的质量竟相差10倍以上！这说明星系团内发光物质太少，大部分物质可能是不发光的！兹维基称其为“短缺质量”或“无踪质量”，意为一部分物质无影无踪不知上哪儿去了。

类似的情况逐渐被发现，天文学家意识到，宇宙中可能存在不发光的物质，它们虽然不发光，但是有引力，所以能够感觉到它们的存在，这种物质被命名为暗物质。现在有越来越多的观测证据，例如星系团的形态、星系自转、引力透镜、星系团发出的X射线、宇宙微波背景辐射各向异性等都表明，宇宙中可能存在大量的暗物质。根据最新的观测结果，84.5%左右的物质都是暗物质！

利用Plank卫星数据制作的从地球到可观测宇宙边界的质量分布图。亮的区域为高质量，暗得区域为低质量，灰色区域为受银河系阻碍无法观测的地方。（图片来源：ESA/NASA/JPL-Caltech）

那么，暗物质到底是什么组成的呢？

它可能就是普通的物质，也就是重子物质，比如黑矮星、褐矮星、中子星、黑洞等天体，它们和普通物质一样可以参与电磁相互作用发射光，但是因为发光微弱，又离我们十分遥远，而无法被目前的望远镜探测到。

但是根据目前的理论研究，重子物质不可能占到这么高的比例。所以另一种可能是，暗物质是非重子物质。非重子物质不参与电磁相互作用，不会发光也不吸收光。

根据粒子的运动速度也就是温度，暗物质分为热暗物质、温暗物质、冷暗物质三种模型，后来针对宇宙大尺度结构的研究倾向于宇宙中主要是冷暗物质的解释。

暗能量

如果你认为暗物质就是宇宙的主宰，那就错了。一直以来，人们企图理解宇宙的构成与前世今生。在寻找宇宙“丢失”的质量以外，科学家还在试图解释宇宙的来源。

根据目前主流的大爆炸理论，在大爆炸之后，随着时间的推移，宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力而逐渐减慢。也就是说，距离我们越遥远的星系，远离我们的速度应该更慢一些。然而观测却发现，越遥远的星系远离我们的速度越快，这恰恰说明宇宙正在加速膨胀（这项研究获得了2011年诺贝尔物理学奖），也就是说，宇宙中还存在着一种“万有斥力”。

到底是什么看不见的力量促使着物质之间加速远离呢？科学家将这种与引力相反的作用来源称为“暗能量”。但暗能量到底是何方神圣，至今还没有一个答案。

然而目前我们可以知道的是，我们所熟悉的世界，即由重子物质构成的草木山河，日月星辰，仅占整个可观测宇宙的不到4.9%，再加上刚才说的看不见的暗物质占了26.8%，剩余的68.3%都是暗能量（另有热暗物质的候选人中微子，及轻子物质如电子等物质，比例很小）！

根据五年的WMAP卫星数据估算宇宙中的总能量分布（图片来源：NASA，最新的Plank卫星已有更精确的数据）

标准宇宙模型

基于现有的观测、模拟和理论，天文学家给出了一个标准宇宙学模型（ΛCDM），以承认广义相对论及宇宙大爆炸为基础，描述了一个包含宇宙学常数Λ和暗能量、冷暗物质（CDM）的宇宙。简单的ΛCDM模型基于六个参数：物理重子密度参数、物理暗物质密度参数、宇宙的时代、标量光谱指数、曲率波动幅度和电离光学深度。

这个模型是目前最简单的模型，并可以很好地解释微波背景辐射的存在及其结构、大尺度结构中星系的分布、元素丰度、宇宙加速膨胀等观测结果。

宇宙学模型（图片来源：wikipedia）