從暗物質、暗能量，到標準宇宙模型，人類對宇宙的探索永無止境_風聞

出品：科普中國

製作：中科院物理所科學傳播協會

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

宇宙“丟失”了80%的質量

我想知道一個星系有多重，有什麼方法呢？基於對宇宙中物質發光特點的瞭解，我可以通過觀測星系的亮度，判斷裏面有多少物質，也可以通過觀測其物質運動，根據動力學原理，計算出有多少質量。

1933年，瑞士天文學家茲維基就是這樣估計星系團的質量的。他驚訝地發現，這兩種方法測出來的質量竟相差10倍以上！這説明星系團內發光物質太少，大部分物質可能是不發光的！茲維基稱其為“短缺質量”或“無蹤質量”，意為一部分物質無影無蹤不知上哪兒去了。

類似的情況逐漸被發現，天文學家意識到，宇宙中可能存在不發光的物質，它們雖然不發光，但是有引力，所以能夠感覺到它們的存在，這種物質被命名為暗物質。現在有越來越多的觀測證據，例如星系團的形態、星系自轉、引力透鏡、星系團發出的X射線、宇宙微波背景輻射各向異性等都表明，宇宙中可能存在大量的暗物質。根據最新的觀測結果，84.5%左右的物質都是暗物質！

利用Plank衞星數據製作的從地球到可觀測宇宙邊界的質量分佈圖。亮的區域為高質量，暗得區域為低質量，灰色區域為受銀河系阻礙無法觀測的地方。（圖片來源：ESA/NASA/JPL-Caltech）

那麼，暗物質到底是什麼組成的呢？

它可能就是普通的物質，也就是重子物質，比如黑矮星、褐矮星、中子星、黑洞等天體，它們和普通物質一樣可以參與電磁相互作用發射光，但是因為發光微弱，又離我們十分遙遠，而無法被目前的望遠鏡探測到。

但是根據目前的理論研究，重子物質不可能佔到這麼高的比例。所以另一種可能是，暗物質是非重子物質。非重子物質不參與電磁相互作用，不會發光也不吸收光。

根據粒子的運動速度也就是温度，暗物質分為熱暗物質、温暗物質、冷暗物質三種模型，後來針對宇宙大尺度結構的研究傾向於宇宙中主要是冷暗物質的解釋。

暗能量

如果你認為暗物質就是宇宙的主宰，那就錯了。一直以來，人們企圖理解宇宙的構成與前世今生。在尋找宇宙“丟失”的質量以外，科學家還在試圖解釋宇宙的來源。

根據目前主流的大爆炸理論，在大爆炸之後，隨着時間的推移，宇宙的膨脹速度將因為物質之間的引力而逐漸減慢。也就是説，距離我們越遙遠的星系，遠離我們的速度應該更慢一些。然而觀測卻發現，越遙遠的星系遠離我們的速度越快，這恰恰説明宇宙正在加速膨脹（這項研究獲得了2011年諾貝爾物理學獎），也就是説，宇宙中還存在着一種“萬有斥力”。

到底是什麼看不見的力量促使着物質之間加速遠離呢？科學家將這種與引力相反的作用來源稱為“暗能量”。但暗能量到底是何方神聖，至今還沒有一個答案。

然而目前我們可以知道的是，我們所熟悉的世界，即由重子物質構成的草木山河，日月星辰，僅佔整個可觀測宇宙的不到4.9%，再加上剛才説的看不見的暗物質佔了26.8%，剩餘的68.3%都是暗能量（另有熱暗物質的候選人中微子，及輕子物質如電子等物質，比例很小）！

根據五年的WMAP衞星數據估算宇宙中的總能量分佈（圖片來源：NASA，最新的Plank衞星已有更精確的數據）

標準宇宙模型

基於現有的觀測、模擬和理論，天文學家給出了一個標準宇宙學模型（ΛCDM），以承認廣義相對論及宇宙大爆炸為基礎，描述了一個包含宇宙學常數Λ和暗能量、冷暗物質（CDM）的宇宙。簡單的ΛCDM模型基於六個參數：物理重子密度參數、物理暗物質密度參數、宇宙的時代、標量光譜指數、曲率波動幅度和電離光學深度。

這個模型是目前最簡單的模型，並可以很好地解釋微波背景輻射的存在及其結構、大尺度結構中星系的分佈、元素丰度、宇宙加速膨脹等觀測結果。

宇宙學模型（圖片來源：wikipedia）