科學家精確測量宇宙中的物質總量

北京時間10月14日消息,據國外媒體報道,宇宙學的一個終極目標就是精確測量宇宙中的物質總量,哪怕是最精通數學的人也會覺得這個任務無比艱巨。但加州大學河濱分校的一組科學家已經做到了。根據他們在《天體物理學雜志》上發表的文章,該團隊確定,物質占宇宙物質和能量總量的31%,剩餘的由暗能量組成。

論文的第一作者、加州大學河濱分校物理和天文學系畢業生穆罕默德·阿卜杜拉說:「如果讓所有物質均勻地分布在整個宇宙空間,那麼它的平均質量密度將相當於每立方米只有六個氫原子這樣。但是,由於我們知道80%的物質其實是暗物質,事實上,大多數物質並非由氫原子組成,而是由一種宇宙學家尚未弄明白的物質組成。」

科學家精確測量宇宙中的物質總量

研究團隊確定,物質占宇宙物質和能量總量的31%。宇宙學家認為,約20%的物質由規則的或「重子」物質組成,其中包括恆星、星系、原子和生命,而剩下的80%由暗物質組成。暗物質的神秘性質至今無人知曉,但可能包含某些尚未發現的亞原子粒子。

阿卜杜拉解釋說,確定宇宙中物質總量的一個成熟方法是,將觀察到的每單位體積星系團的數量和質量,與數值模擬的預測結果進行比較。由於當今的星系團是由在其自身引力作用下,在過去數十億年坍塌的物質而組成,因此,當前觀測到的星系團數量對宇宙學情況——尤其是物質總量——十分敏感。

「更高比例的物質將帶來更多的星系團,」阿卜杜拉說,「我們團隊面臨的挑戰則是測量星系團的數量,然後確定哪個答案『更正確一些』。但是我們又很難精確測量任何一個星系團的質量,因為大多數物質都是黑暗的,我們無法用望遠鏡觀測。」

為了克服這個困難,以加州大學河濱分校團隊為首的天文學家率先發明了「GalWeight」——利用成員星系的軌道來測量該星系團質量的宇宙學工具。然後,研究人員將他們的工具應用於斯隆數字巡天探測中心的觀測數據,以創建「GalWCat19」,即公開可用的星系團目錄。最後,他們將新目錄中的星系團數量與模擬結果進行比較,從而確定宇宙中的物質總量。

科學家精確測量宇宙中的物質總量

團隊將他們測量的星系團數量與數值模擬的預測結果進行比較,以確定哪個答案「更正確一些」。

「我們已經成功地使用星系團技術完成了有史以來最精確的一次測量,」論文合作者、加州大學河濱分校的物理學和天文學教授吉利安·威爾遜說,「此外,這也是星系軌道技術的首次使用。該技術獲得的數值與使用非星系團技術(如宇宙微波背景各向異性、重子聲學振盪、Ia型超新星或引力透鏡)獲得的數值相一致。」

「使用GalWeight星系軌道技術的巨大優勢在於,我們團隊可以單獨確定每一個星系團的質量,而無需依賴間接的統計方式,」論文的第三作者安托里·克里平說。

通過將他們的測量結果與使用其他測量方式的團隊得到的結果相比較,加州大學河濱分校的團隊可以確定最佳的組合值,得出結論,認為物質占宇宙物質和能量總量的31.5±1.3%。

來源:cnBeta