天文学中的暗物质和暗能量问题之由来和困惑_图文(精)
暗物质简介ppt课件
暗物质与星系的形成和演化
暗物质与星系的形成
暗物质在星系形成中起到了关键作用 。暗物质的引力作用有助于束缚星系 内的恒星和气体，使得星系得以稳定 存在。
暗物质与星系的演化
暗物质对星系的演化也有重要影响。 暗物质的引力作用影响了星系内恒星 的运动和分布，使得星系得以维持稳 定的形态。
暗物质的分布和密度可能与普通物质不同，因此对宇宙的引力效应具有重要影响。
暗物质的发现
暗物质的发现是基于其对宇宙 的引力效应被观测到的。
通过对星系旋转速度和宇宙微 波背景辐射的观测，科学家们 推断出暗物质的存在。
暗物质的分布和密度可以通过 观测星系团、星系和宇宙微波 背景辐射等手段进行推断。
暗物质对宇宙的影响
暗物质对宇宙的结构和演化具有重要 影响。
暗物质可能占据了宇宙中大部分的质 量-能量，对宇宙的膨胀和演化具有 重要作用。
暗物质的引力效应使得星系和星系团 得以形成和维持稳定。
暗物质可能是解释宇宙学观测中一些 未解之谜的关键因素，例如宇宙常数 问题和高红移观测问题。
02
暗物质的组成和分布
暗物质的组成
暗物质对宇宙的未来影响
暗物质与宇宙的未来
暗物质对宇宙的未来有着深远的影响。随着 宇宙的膨胀和演化，暗物质的分布和性质可 能会发生变化，这将对宇宙的未来演化产生 重要影响。
暗物质与宇宙学研究
暗物质是宇宙学研究的重要课题之一。对暗 物质的研究有助于我们更深入地理解宇宙的 起源、演化和未来，为人类探索宇宙的奥秘 提供了新的视角和线索。
04
暗物质的研究现状与挑战
研究现状
暗物质的探测
目前，暗物质的探测主要依赖于大型粒子加速器和天文观测。其中，粒子加速器实验如CDMS、 DAMA等正在不断寻找暗物质粒子，而天文观测如引力透镜、星系旋转曲线等则提供了暗物质分布和 运动的信息。
揭秘宇宙之谜——暗物质与暗能量
揭秘宇宙之谜——暗物质与暗能量在浩瀚的宇宙中，存在着许多人类尚未解答的谜题，其中最令人着迷的莫过于暗物质和暗能量。
这两个概念虽然听起来充满神秘感，却是现代物理学和天文学研究的前沿话题。
暗物质是一种无法直接观测到的物质，不发光也不吸收光线，因此不能通过常规的天文望远镜来检测。
科学家之所以推断其存在，是因为它对宇宙中的星系旋转速度、星系团的动力学行为以及宇宙大尺度结构的形成有着不可忽视的影响。
如果没有暗物质的引力作用，我们现有的物理定律难以解释这些现象。
暗能量则更加神秘，它是宇宙加速膨胀的幕后推手。
在1998年通过对Ia型超新星的观测揭示出宇宙膨胀速度不仅没有减缓，反而在加快。
这一发现震惊了科学界，因为按照当时的物理学理论，宇宙膨胀应该是减速的。
为了解释这一现象，科学家们提出了暗能量的概念，认为它是一种充斥在整个空间中的能量形式，推动着宇宙的加速膨胀。
尽管暗物质和暗能量的存在已经得到广泛认可，但它们的真身仍是一个谜。
目前流行的理论认为，暗物质可能是由一种或几种未知粒子组成，这些粒子不参与电磁相互作用，因此无法被直接观测。
而暗能量的本质更是众说纷纭，有的科学家认为它可能与量子场论中的真空能有关，也有研究者探索其他可能性。
研究暗物质和暗能量不仅对于理解宇宙的基本规律至关重要，也对我们自身的未来有着深远影响。
例如，如果能够揭开暗物质的面纱，可能会带来新的物理理论和技术革命；而了解暗能量的性质，则可能为解决能源问题甚至实现星际旅行提供线索。
尽管目前我们对暗物质和暗能量的了解还非常有限，但是科学家们正在利用地下实验室、粒子加速器、深空探测等手段进行探索。
随着技术的进步和理论的发展，我们或许能够在不久的将来揭开它们神秘的面纱，解锁宇宙更深层次的秘密。
在追求知识的道路上，暗物质与暗能量如同两扇待开启的大门，背后隐藏着宇宙的真相。
我们对它们的认识每深入一层，对宇宙的理解就会提升一步。
这是一场漫长而艰巨的探索，但也是充满希望和梦想的旅程。
天体物理学的未解之谜
天体物理学的未解之谜天体物理学，这门探索宇宙起源、结构、进化及其最终命运的科学，虽然已取得了诸多突破性进展，但仍有许多令人困惑的谜题待解。
这些谜题不仅挑战着现有的科学理论，也不断激发着科学家的好奇心和探索欲。
暗物质与暗能量的本质是当前天体物理学中最大的谜团之一。
观测数据显示，宇宙中的重力作用不能完全由我们所见的物质解释，必须假设存在一种看不见的“暗物质”。
而宇宙加速膨胀的发现又引出了“暗能量”的概念。
尽管对它们的存在已有广泛共识，但这两种神秘成分的真正本质仍属未知。
黑洞信息悖论也是广受关注的问题。
根据量子力学的原理，信息不应消失，但当物质落入黑洞时，似乎所有关于物质的信息都随之消失了。
这个悖论至今没有令人满意的解释，它涉及到引力、量子力学以及热力学等多个物理领域的根本问题。
宇宙背景辐射是宇宙大爆炸理论的重要预言之一，为该理论提供了强有力的支持。
然而，CMB中存在的异常现象，如冷斑，给理论家们带来了新的挑战。
冷斑是一种比周围天空温度更低的巨大区域，它的成因至今仍是一个谜。
宇宙中锂元素的丰度问题同样困扰着天文学家。
按照大爆炸核合成理论的预测，锂元素的丰度应该远低于观测值。
这种差异指出我们对宇宙早期条件的理解还存在不足，或者可能存在未知的物理过程。
最后，快速射电暴的来源及其机制仍是一个未解之谜。
这些极强的射电暴发具有极短的持续时间，并且源自遥远的宇宙。
目前对于FRBs的产生机制有多种假说，但尚未有统一且确凿的解释。
尽管面临众多未解之谜，天体物理学家并未气馁。
相反，这些谜题正成为推动科学进步的强大动力。
随着探测技术的改进和新理论的发展，我们有理由相信，在不远的将来，这些迷雾终将被一一揭开。
天体物理学的探索之旅，正如宇宙本身，永无止境，充满未知和惊喜。
宇宙奥秘知识点
宇宙奥秘知识点宇宙，是一个广袤无垠的存在，蕴含着无数的奥秘和未解之谜。
在人类的历史长河中，我们一直对宇宙的探索充满了好奇和渴望。
本文将带您探索一些宇宙奥秘的知识点，让我们一同揭开这些神秘面纱。
一、黑洞：宇宙中的巨大吞噬者黑洞是宇宙中最神秘的存在之一，它是由恒星坍缩形成的极度致密物体。
黑洞的引力极其强大，甚至连光也无法逃离它的吸引力。
一旦物质进入黑洞，它将被无情地撕碎并消失于宇宙的黑暗中。
黑洞的存在使我们对宇宙的结构和演化有了更深入的认识。
二、暗能量与暗物质：宇宙的巨大谜题暗能量和暗物质是构成宇宙的两个主要成分，但它们却是我们无法直接观测到的。
暗能量被认为是推动宇宙加速膨胀的原因，而暗物质则是维持星系和星系团的稳定性所必需的。
虽然我们对暗能量和暗物质的了解还很有限，但它们的存在对于解释宇宙的演化和结构起着至关重要的作用。
三、宇宙微波背景辐射：宇宙的回声宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后遗留下来的辐射，它是宇宙中最早的光线。
这种辐射被认为是宇宙演化的重要证据，它的探测和研究为宇宙学提供了重要的突破。
通过对宇宙微波背景辐射的观测，我们可以了解到宇宙早期的结构和演化过程，从而更好地理解宇宙的起源和未来的命运。
四、行星和恒星的诞生：宇宙的孕育之地行星和恒星的诞生是宇宙中一场壮丽的舞台剧。
在星云中，气体和尘埃逐渐凝聚形成行星和恒星。
行星是宇宙中的天体，它们绕恒星运行，承载着生命的可能性。
恒星则是宇宙中最亮的存在，它们通过核聚变反应释放出巨大的能量。
行星和恒星的诞生过程让我们对宇宙的多样性和生命的起源有了更深入的认识。
五、宇宙膨胀：宇宙的命运宇宙的膨胀是宇宙学中一个重要的研究领域。
通过观测遥远星系的红移现象，科学家们发现宇宙正在以加速的速度膨胀。
这意味着宇宙的扩张力量大于引力，而暗能量被认为是推动这种加速膨胀的原因。
宇宙的膨胀对于我们理解宇宙的结构和演化具有重要的意义，也让我们思考宇宙的命运和未来的发展。
六、多元宇宙：宇宙的多样性多元宇宙理论认为宇宙可能存在着无数个平行宇宙，每个宇宙都有不同的物理定律和初始条件。
天文学概念知识：宇宙学中的暗物质和暗能量的物理意义
天文学概念知识：宇宙学中的暗物质和暗能量的物理意义在宇宙学研究中，暗物质和暗能量是两个极其重要的概念。
它们对于我们理解宇宙的演化和结构都有着至关重要的意义。
本文将从物理意义和研究进展两个方面来探讨暗物质和暗能量的相关问题。
一、物理意义1.暗物质暗物质是宇宙中一种尚未被发现的物质，因其不与电磁波相互作用，所以不能被直接观测到。
目前，对于暗物质的存在、组成、性质等还存在很多未知的问题。
但通过对宇宙学和天体物理学的研究，我们可以借助间接观测的手段，来推测暗物质存在的证据。
暗物质的物理意义，在于它对宇宙的形成和演化起到了重要的作用。
宇宙的加速膨胀、星系的旋转速度、星系团的质量、宇宙微波背景辐射等现象，都表明暗物质存在，并且它是构成宇宙90%以上物质的主要组成部分。
只有理解暗物质，我们才能更好地研究宇宙的结构和演化，推理宇宙的结构演化史和未来的发展方向。
2.暗能量暗能量是宇宙中一种压强为负的能量形式，它的存在使得宇宙加速膨胀。
相比之下，普通的物质（如可见星系中的星体、尘埃和气体等）和辐射（如宇宙射线、X射线、光、微波辐射等）对宇宙的加速膨胀都是起减速作用的。
目前，对于暗能量的本质还没有达成共识，它的产生和由何种粒子、能级等组成依然存在着很多科学家的争议。
暗能量的物理意义，在于它对宇宙学研究及宇宙的演化方向产生了重大影响。
它是宇宙演化的基础性驱动力，改变了宇宙膨胀的性质，推动了未来的宇宙演化，影响了宇宙的总体结构。
加速膨胀的宇宙具有不同于减速膨胀（或收缩）宇宙的性质，这意味着对于宇宙与普遍理论的关系、物理规律的变化和宇宙结构的表现等都带着新的挑战和机遇。
二、研究进展1.暗物质经过几十年的研究，暗物质的存在已经被普遍接受，并在很多宇宙学理论和模型中被广泛应用。
但暗物质的本质至今仍然未被确认。
目前，关于暗物质性质的研究主要有两种思路：一是探测暗物质的粒子性质（暗物质粒子研究），二是通过观察宇宙的结构和演化，对暗物质的性质做出推测（宇宙学研究）。
理解黑暗物质和暗能量
理解黑暗物质和暗能量近年来，人们对黑暗物质和暗能量的研究越来越深入，但这两个概念始终还是比较抽象的。
那么，什么是黑暗物质和暗能量呢？它们又有什么特性和作用呢？本文将从理论模型到实验结果，从宇宙到粒子，一步步为大家揭开这个谜题。
一、黑暗物质黑暗物质首先是通过天文学观测而发现的一种奇怪物质。
在20世纪80年代，天文学家利用体积观测到了许多沿银河系周围运动的恒星。
因为这些恒星的高速运动，被人们称为高速运动星轨道问题（或银河系旋转问题）。
根据牛顿力学和运动定律，这些恒星应该逃离银河系。
然而这些恒星没有离开，它们笼罩在黑暗物质的引力场内，也就是说，黑暗物质的质量在恒星周围组成了巨大的引力场帮助恒星运动。
这个引力场唯一的理解就是，这些恒星受到了由银河系外黑暗物质团块所组成的引力场的作用，而这个物质是天文学家从其他物质计量中未能观测到的，因此被称为“黑暗物质”。
在宇宙中，也有不少明显跟恒星和尘埃不同、但又有明显跟白矮星、中子星和黑洞也不同的天体，例如对恒星束缚更为强烈、重力波和引力透镜现象中表现出清晰不同、在回响和消光方面表现不同等。
它们所显示的明显星系外物质在天文学上被认为也是黑暗物质。
黑暗物质的密度是银河系等天体的可见物质的5倍以上，同时，更长的星系运动、更高的温度分析和更远的银河系中的黑洞应该包含更多的黑暗物质，该数据已卓有成效地预测了哪些邻近星系的数量和星系结构，而且成功地证实了耗散运动（星系形成和并行）是由于大量存在的黑暗物质形成引力场而出现的。
二、暗能量暗能量是相对于黑暗物质而言的，指导致宇宙加速膨胀的一种source,同时它也是宇宙能量守恒原则在引力方程中的表现形式。
暗能量由于我们无法观测到，所以被称为“暗”能量。
对暗能量最早的观测是由两组独立的天文学家完成的，又因为这个现象而被称为“偏远II超新星实验”。
它是研究暗能量的重大里程碑，奠定了关于暗能量存在的事实，并且得到了诺贝尔物理学奖的奖励。
值得一提的是，暗能量是推动宇宙加速膨胀的主要力量。
暗物质与暗能量
暗物质与暗能量什么是暗物质暗物质（Dark Matter）是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。
暗物质的密度非常小，但是数量非常庞大。
自从牛顿发现了万有引力定律以来, 人们就一直尝试用引力理论来解释各种天体的运动规律, 在这个过程中, “暗物质”的概念很早就已经形成了。
现代意义下的暗物质概念是瑞士天文学家家弗里兹·兹威基（Fritz Zwicky）早在1933 年研究后发星系团中星系运动的速度弥散时就提出来了。
他根据所测得的星系速度弥散并应用维理定理得到了后发星系团的质光比, 发现其比太阳的质光比要大400 倍左右。
1934 年，他在研究星系团中星系的轨道速度时，为了解释“缺失的物质”问题而正式提出了暗物质的概念．但当时并没引起太多的关注，直到40 年后，人们在研究星系中恒星的运动时遇到类似的困难: 人们发现如果仅考虑可见( 发光) 物体彼此之间的相互吸引力，那么各式各样的发光天体( 包括恒星、恒星团、气状星云，或整个星系) 运动的速度要比人们预想的快一些。
暗物质存在最直接的证据来自于漩涡星系旋转曲线的测量。
通常测量的旋转曲线在距离星系中心很远的地方会变平, 并且一直延伸到可见的星系盘边缘以外很远的地方都不会下降。
如果没有暗物质存在, 很容易得到在距离很远的地方旋转速度会随距离下降: v(r)= GM(r)! r ∝1!r因此, 平坦的旋转曲线就意味着星系中包含了更多的物质。
2003 年，Wilkinson 微波背景各向异性探测( WMAP) 、Sloan数字巡天( SDSS) 和最近的超新星( SN) 等天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步有力地证实了暗物质的存在．这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就．最新数据显示，在宇宙能量构成中，暗能量占72%，暗物质占23%，重子类物质只占了5%左右．暗物质的探测暗物质的探测可以分为如下3 种方法。
暗物质与暗能量之谜
暗物质与暗能量之谜1. 引言在当代物理学中，暗物质和暗能量被认为是宇宙中最神秘的事物之一。
尽管科学家们已经做出了许多努力来解决这个谜题，但至今仍然没有完全理解暗物质和暗能量的本质。
本文将讨论暗物质和暗能量的定义、观测证据以及当前的研究进展。
2. 暗物质的定义与观测证据2.1 暗物质的定义暗物质是指一种无法直接与电磁波相互作用的物质，在宇宙中占据了大约27%的比例。
尽管我们无法直接探测到暗物质，但通过其对可见物体的引力影响，科学家们得出了其存在的结论。
2.2 观测证据2.2.1 天体运动轨迹在天体运动轨迹的观测中，科学家们发现存在一些不能通过可见物质来解释的现象，例如：银河系旋转曲线上的异常速度分布，这表明了有额外的引力源在起作用。
2.2.2 引力透镜效应引力透镜效应是指由于大质量天体对光的扭曲效应，使其看起来经过这些天体周围时变形或者成为多个像。
其中一些观测结果也支持了暗物质的存在。
2.2.3 宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射是宇宙诞生后留下来的背景辐射，并提供了研究宇宙演化过程的重要线索。
对宇宙微波背景辐射的观测数据表明了暗物质存在的可能性。
3. 暗能量的定义与观测证据3.1 暗能量的定义暗能量是一种描述空间膨胀加速现象的假设能量，占据了宇宙总能量的约68%。
暗能量被认为是推动宇宙膨胀加速的原因。
3.2 观测证据3.2.1 超新星观测超新星爆发是一种极为明亮且短暂的天文现象，可以用于测量远处物体距离。
通过观测远处超新星爆发及其亮度变化规律，科学家们发现了一个令人惊讶的结果：宇宙膨胀正在加速进行。
这一发现为暗能量的存在提供了直接证据。
3.2.2 大尺度结构形成暗能量还表现为一种反重力效应，它抵消了引力，推动了宇宙中大尺度结构（如星系团、超级星系团等）的形成和演化。
3.2.3 宇宙学参数测量结果通过对宇宙大尺度结构、宇宙微波背景辐射以及超新星等多种数据进行分析，科学家们不断精确测量宇宙参数。
这些参数包括了关于暗能量性质和行为方式的信息。
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天文学中的暗物质和暗能量问题之由来和困惑武向平†(中国科学院国家天文台北京1000122015-05-19收到†email :wxp@DOI :10.7693/wl201506101宇宙起源今天的宇宙学研究早已经冲破了“九重天”的空间尺度和“七天创世纪”的宗教信仰,21世纪的宇宙学已经是最精密的自然科学之一。
为现代宇宙学研究带来革命性进展的天文学家无疑是哈勃,他在1929年发现了银河系周围星系的退行速度与其相距银河系之距离成正比。
此观测事实给了后来的物理学家伽莫夫以启示:既然所有的星系都彼此相互远离,那么若沿着时间的长河逆向追溯,它们就必将在有限的时间里汇聚在一起;反之,若沿着时间发展的箭头,宇宙则就像发生过一次爆炸一样,从致密高温的状态膨胀散开。
1948年,伽莫夫成功地预言了宇宙大爆炸的“火球”膨胀至今遗留下的温度应为50K (1956年修正为6K,并锁定在微波波段。
而在1965年,两位Bell 实验室的工程师Penzias 和Wilson 无意间得到了震惊世界的发现,尽管他们当时并未意识到所获得的与方向无关的天空噪声就是宇宙大爆炸的遗迹。
虽然星系的退行和大爆炸火球的发现及其高度的各向同性,的确给宇宙大爆炸学说奠定了最坚实的观测基础,但人们很快就意识到,一个高度各向同性的大爆炸火球并不是人们所期望的。
今天,浩瀚的宇宙中充满了以星系为基本单元的成员,它们并非均匀地分布于宇宙空间中,而是形成了有规则的结构:既有成千上万星系组成的“长城”,也有空空如也的“空洞”。
一个过于均匀的大爆炸火球作为“种子”是无法形成我们今天所看到的有结构之宇宙。
所以,大爆炸的遗迹(今天称之为宇宙微波背景辐射被发现后,人们就一直致力于寻找它上面是否存在不均匀的成分。
终于,1992年由George Smoot 领导的一个小组借助于COBE 卫星发现了大爆炸火球上的十万分之一的温度起伏,且这些起伏正是人们期望看到的造就今天宇宙万物的“种子”!随后,诸多宇宙微波背景辐射探测卫星如WMAP 和PLANCK 以及南极的大量天文实科学家沙龙验,已经把大爆炸火球的脸谱勾画得越来越清晰,其测量精度甚至达到了百万分之一!除了宇宙中的基本成员星系之外,宇宙大爆炸演化的过程也自然地造就了世间的基本元素:宇宙大爆炸早期,宇宙温度很高,电子、质子和中子在大爆炸背景光子的作用下无法结合形成稳定的原子,只有当大爆炸火球的温度随着宇宙的膨胀降低到10亿度时,宇宙中的核合成才得以进行,而核合成仅仅持续了很短时间就又因宇宙温度过低而终止。
所以,宇宙中仅仅合成了最轻的元素氢和氦,其他元素几乎没有机会产生。
由于中子质量略大于质子质量(差别为1.293MeV,宇宙早期的热平衡保证了宇宙中有一个中子,大约就有六个质子,所以宇宙中大量的质子和电子结合,最先形成了氢,两个质子、两个中子和两个电子结合就形成了氦,其各占宇宙总重子物质的比例为:氢77%和氦23%。
今天对宇宙各地,比如太阳、银河系、其他星系等的天文观测,都证实了这一比例。
甚至,我们人体以氢为主的基本元素构成无不体现着宇宙大爆炸的痕迹。
这的确是大爆炸宇宙学的又一巨大成功!那么我们熟知的化学元素周期表中的其他元素又是从哪里来的呢?其实,除了最重的几个人工合成元素,它们也都来自宇宙空间。
比如锂、铍、硼就来自宇宙射线,而恒星演化的终结(如超新星爆发造就了其他重元素,包括人们熟知的金、银、铜、钻石等。
2宇宙的命运和暗物质今天的宇宙正在膨胀,那么未来的宇宙是会继续膨胀还是会停止膨胀进而收缩回来呢?问题的答案取决于宇宙中所有物质产生的引力是否能阻止宇宙的膨胀。
只要将牛顿第二定律和万有引力定律应用于我们的宇宙,我们就会发现:如果宇宙今天的平均密度超过一个临界值ρc,它将来就会停止膨胀并收缩回来;反之,平均密度若比ρc小,则宇宙将永远膨胀下去。
临界密度ρc的值仅仅由万有引力常数G和哈勃常数H0决定,且ρc≈10-29g/cm3,这一数值仅仅相当于每一立方厘米的体积内存在百分之一个电子!可见,要求宇宙停止膨胀的物质密度其实很低。
人们习惯性地定义一个密度参数ΩM=ρ/ρc,若ΩM>1则宇宙将会收缩回来,反之则会永远膨胀下去。
应用爱因斯坦的场方程于宇宙,则可以给出类似的结论,只不过增加了牛顿引力论中无法描述的能量项。
事实上,引力场方程把时空(宇宙的性质和其中存在的物质能量完美地结合起来,即宇宙的时空由其中的物质能量唯一决定,而时空的特性也反映了其中物质和能量的存在形式。
这样,在广义相对论框架下的宇宙动力学方程就简化为:Ωk=1-ΩM-ΩΛ,其中Ωk反映宇宙的几何性质,ΩM是宇宙的物质密度参数,ΩΛ是宇宙的能量密度参数(又称宇宙学常数项。
我们既可以用宇宙中物质和能量来描述宇宙的演化性质,也可以等价地使用宇宙的几何性质来描述宇宙未来演化的行为。
若宇宙未来停止膨胀转为收缩,反映在几何性质上则是Ωk˃0,或宇宙中三角形内角之和大于180°,引力主导引起时空弯曲;若宇宙永远膨胀下去,则Ωk<0,或宇宙中三角形内角之和小于180°,引力不足以抵抗膨胀;Ωk=0的宇宙则处于临界状态,此时宇宙将永远膨胀下去,但三角形内角之和正好是180°,欧几里德几何可以适用。
这样,宇宙的命运就有两种等价的描述方式:我们既可以通过测量宇宙中的物质能量密度图1PLANCK卫星绘出的宇宙微波背景辐射的温度起伏(来源:PLANCK网页图2宇宙重子物质组成。
其中X 射线热气体所占比例超过3/4(来源:网上资料也可以通过测量宇宙的几何性质来预知未来。
现在让我们看一看宇宙中到底有多少物质,这些物质是否足以让宇宙将来收缩回来,这就引出了宇宙学中的暗物质问题。
我们的游戏从数星星开始:一个星系里大概有1千亿颗恒星,而宇宙中大约有1千亿个星系,所以宇宙中大概有1022颗恒星。
我们可以把单位体积内这些恒星转化成质量即密度,然后与ρc ≈10-29g/cm 3的临界值作对比,结果这个值仅有0.005。
也就是说,宇宙中所有的恒星加起来所贡献出的物质仅能达到让宇宙未来停止膨胀的0.5%。
所以,若浩瀚的宇宙中仅仅只有恒星,那么宇宙将要永远膨胀下去。
宇宙中是否只有闪闪发光的恒星呢?答案显然是否定的。
当天文学家把宇宙的所有已知物质汇聚在一起,就会发现恒星只占大约五分之一的比例,宇宙的主要物质竟然在可见光波段是看不见的!1961年,当意大利科学家Riccardo Giacconi 把一枚用于X 射线探测的火箭送上天空,才意外地发现,宇宙竟然在高能X 射线波段如此明亮。
随后,大量的X 射线探测卫星揭示出了人们意想不到的结果:宇宙中可以发射电磁辐射的物质主要是以热气体的形式存在,温度甚至可以高达上亿度,许多星系、星系群、星系团和大尺度结构都被炙热的X 射线气体所包围,它们的质量要比其中的恒星大好几倍!当我们利用X 射线探测卫星把这部分质量统计在内,一下子就可以把宇宙中的所谓重子物质密度提高了几乎10倍,达到宇宙临界密度的4%。
然而,即使这样,仅包含热气体和恒星的宇宙仍然还是要继续膨胀的!的确,人们是借助电磁波来观测宇宙的,任何一个波段(如光学都只能揭示出宇宙中某一特定的物质成分(如恒星,我们也许会丢失没有电磁辐射的那部分物质,即不发光的暗物质。
对此,第一个做出肯定结论的是瑞士天文学家Fritz Zwicky ,他在1937年观测了一个由数百个星系组成的巨大集团(称之为Coma的运动学效应,他发现,由星系动力学给出的星系团质量比其中所有恒星光度给出的质量大了400倍。
这是天文学中第一次发现宇宙中可能存在不发光的暗物质成分!今天,存在暗物质更直接的证据包括:(1中性氢测量表明,星系(包括银河系的旋转曲线在远离恒星的星系晕里仍然保持几乎不下降的趋势,违背了仅有恒星起作用的开普勒定律,暗示星系存在巨大的暗物质晕;(2经过引力场的光线会发生弯曲,产生所谓的引力透镜效应,光线偏折的大小仅与其中产生引力场的质量有关,不管其是否发光。
自1979年观测到遥远类星体的引力透镜现象以来,引力透镜效应已经普遍应用于各类宇宙天体的质量测量,人们发现,引起引力透镜的引力质量远超出透镜天体的发光质量。
比如在典型的星系团里,引力质量比发光的光学总质量大几乎300倍;(3宇宙大尺度结构形成理论和观测表明,要形成今天宇宙中各种结构,仅靠重子物质远远不足以使其“成型”。
比如,银河系由大约1千亿颗恒星组成,在137亿年的宇宙年龄内,仅靠恒星自身的引力完全无法聚集成今天的银河系,因为重子物质需要有效耗散其内能才能收缩为星系,而暗物质的存在造就了巨大的引力势阱,帮助重子物质紧密“团结”在一起,组成了今天庞大的银河系;(4我们曾经提及,星系群和星系团都存在高温热气体,温度可达上亿度。
若无巨大暗物质引力场的束缚,那么如此高温度高能量的热气体则早已经逃逸瓦解。
当我们把动力学、引力透镜效应等一些不依科学家沙龙赖于发光物质特性的测量手段用于宇宙各系统的质量测量中,然后再与宇宙的临界密度ρc去对比,结果发现,ΩM已经提高至0.27,比恒星和热气体的贡献高出大约7倍。
但是,包含了全部暗物质在内的宇宙平均密度也只达到27%的临界值,故仍然不足以使得宇宙封闭——有朝一日停止膨胀而收缩回来。
此刻,我们很茫然,如果在宇宙中再找不到其他的物质成分,我们就只能眼睁睁地看着宇宙永无止境地膨胀下去,人类就只能“冻”死在温度逐步降低的冰冷宇宙中。
看来,我们真的别无选择!3宇宙的命运和暗能量也许,我们对宇宙命运的结论还下得太早或过于武断。
毕竟,由爱因斯坦场方程给出的宇宙动力学演化方程包含了三个参数,而我们至此仅仅测量了其中的一个——物质密度参数ΩM,还剩下能量参数ΩΛ和空间曲率参数Ωk,只有把后面两个参数再确定至少一个,我们才能真正预测宇宙的命运。
测量能量密度参数ΩΛ并不是一件容易的事,若ΩΛ代表着真空能或宇宙学常数,则它在宇宙空间和时间尺度上都是一个不变化的参数,对于一个仅在宇宙大尺度才显现的常量,我们几乎找不到有效的测量途径。
所以,人们的注意力转向了测量宇宙的几何性质,即宇宙曲率参数Ωk。
诚然,人们也无法在宇宙空间构造一个三角形去测量其内角之和是否小于、等于或大于180°。
大爆炸遗留的火球即微波背景辐射的光子传至地球,经历了漫长的旅途,是人类目前所能接收到的来自最遥远宇宙的信息,它必然携带了宇宙几何的信息。
微波背景上面分布着斑斑点点的温度不均匀区域(见图1,尽管其幅度不超过十万分之一,但只要我们知道了微波背景辐射上这些斑斑点点温度不均匀区域之间间距的统计性质,就可以得到宇宙的几何特性。
比如,一个开放的、未来永远膨胀的、三角形内角之和小于180°的宇宙,单位面积上斑点的数目就会比较多;相反,若宇宙是闭合的、未来转为收缩并且三角形内角之和大于180°,由于光线的弯曲,单位面积上斑点的数目就相对较少。