科学家计算出迄今最精确的宇宙物质总量占比

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科学家计算出迄今最精确的宇宙物质总量占比
麻省理工科技评论 2020-10-04

2020-10-04

加州大学河滨分校的一个研究团队已成功计算出迄今为止这一数字的最精确值
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加州大学河滨分校的一个研究团队已成功计算出迄今为止这一数字的最精确值

宇宙学最为根本的研究课题之一就是“准确测量宇宙中所有物质占宇宙总质量的比重”。

虽然这对数学极好的人来说也是一项复杂且艰巨的任务,但根据一篇于近日发表在《天体物理杂志》(the Astrophysical Journal)上的论文,加州大学河滨分校的一个研究团队已成功计算出迄今为止这一数字的最精确值,认为宇宙中的所有物质约占宇宙质能总量的 31%,而剩下的约 69% 则应该是由暗能量构成。

科学家计算出迄今最精确的宇宙物质总量占比


图|根据这项最新研究,科学家认为宇宙中的所有物质(其中约 20% 为可见物质,约 80% 为暗物质)仅占宇宙质能总量的约 31%。(来源:Mohamed Abdullah, UC Riverside)

论文第一作者、加州大学河滨分校的研究生 Mohamed Abdullah 表示,如果把宇宙中的所有物质平均分布在宇宙所覆盖的整个空间中,我们能得到的物质的质量密度仅为约每立方米 6 个氢原子,而在这些 “所有物质” 中,可见物质仅占约 20%,剩下的约 80% 则是由一种对我们来说还属 “未知” 的物质,也就是暗物质构成。

具体来说,由于当前宇宙中的星系团是由在数十亿年间不断在自身引力作用下发生坍缩的物质构成,星系团的准确数量对宇宙学理论的修正十分敏感,更多的星团数量与更高的所有物质占比相对应。目前一种较为成熟的计算方法则是将可观测到的星系团的总数和质量,与数学模型的预测作比较(星系团簇方法)。

但问题在于,很多物质的周围并没有足够强的光源将它们照亮,以让观测设备能够捕捉到它们,我们因此很难真正准确测量星系团的质量。

河滨分校的团队为解决这一观测难题,先是首创了一种 “根据星系团内星系运动轨迹计算星系团质量” 的计算工具(名为“GalWeight”),然后将计算出的数据与 Slogan 数据星空调查(SDSS,Sloan Digital Sky Survey,一次星空观测普查)的数据进行对比,最终估算出宇宙内所有物质占宇宙质能总量的比值。

科学家计算出迄今最精确的宇宙物质总量占比

图|不同 “所有物质占宇宙总质能比” 对应的星团分布模型。(来源:Mohamed Abdullah, UC Riverside)

论文共同作者、加州大学河滨分校物理学家 Gillian Wilson 说:“这应该是有史以来星系团簇方法最为精准的测量了,而且所得结果与其它方法(宇宙微波背景各向异性、重子声振荡、引力透镜)的计算结果一致。”

论文共同作者、宇宙学及数值模拟学家 Anatoly Klypin 认为, GalWeight 方法的优势在于,它能帮我们独立计算每个星团的质量,而不是像传统方法那样通过相对更为间接的统计方法对结果进行精度不高的近似。

根据论文所给出的结论,此次加州大学河滨分校的团队在得出由 GalWeight 方法算得的结果后,通过将其结果与其它测量方式的结果进行对比结合,认为宇宙中所有物质占宇宙质能总量的比值约为 31.5±1.3%,属目前天文物理学和宇宙学界对这一数值精度最高的估算结果之一。

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