科學家如何測量宇宙的質量？兩種方法得到兩種答案，科學家有點暈
2023-03-29 17:02:01
愛因斯坦告訴我們，質量和能量可以相互轉化。這意味著宇宙有多少質量，那麼我們的宇宙有多少質量/能量？
對許多天文學家來說，天體的直徑和體積一直是他們最感興趣的內容。例如，屏蔽板UY可以容納50億個太陽，木星的大紅斑比地球大，IC 1101是銀河系直徑的20多倍。
然而，對天文學家來說，直徑或體積只是天體的一個方面。天體最重要的物理參數應該是它的質量。
質量的重要性
早在200年前，英國科學家卡文迪許就測量了地球的質量。在現代，我們已經非常了解太陽系中的主要天體，它們的質量值變得越來越精確。我們甚至可以計算數十億甚至100億光年以外天體的質量。那麼，科學家能估計整個宇宙的質量嗎？
這個問題非常重要，因為根據愛因斯坦的質量能量方程(e = MC 2)，宇宙有多少質量就意味著宇宙有多少能量。
同時，質量相當於重力，重力決定了宇宙的命運。我們知道宇宙正在膨脹。如果宇宙的質量足夠大，它可能有機會與暗能量競爭並再次收縮宇宙。如果宇宙的質量太小，它將永遠膨脹。
因此，對於科學家來說，宇宙的質量是一個非常重要的參數。
測量宇宙質量的困難
然而，測量宇宙的質量並不容易。首先，我們需要知道宇宙中有多少物質。就像分解工作中的任務一樣，我們也可以分解宇宙一點點。根據我們對銀河系的觀察，我們可以粗略估計恆星的平均質量。通過觀察河外的星系，我們可以粗略估計出每個星系中有多少顆恆星。下一個問題是:宇宙中有多少個星系？
這取決於哈勃望遠鏡傳回的哈勃超深視場圖像。科學家使用哈勃的0+望遠鏡在夜間選擇一個非常小的區域進行長期觀察，並拍攝了大量的星系。宇宙中星系的總數可以從這張圖片中的星係數量和它們在全天總面積中的比例來估計。最新的推測告訴我們宇宙中大約有2萬億個星系。
似乎宇宙的質量已經開始成形。然而，我們的工作遠未結束。宇宙中還有大量塵埃雲，星系中也有中性氫，它們的質量也不容忽視。即使這些塵埃雲、黑洞和其他天體的質量被估計，它們也只是宇宙中可見物質的質量。我們知道宇宙中仍然有大量的暗物質和暗能量，它們也對宇宙的質量有貢獻。
因此，為了了解宇宙的質量，所有這些因素都需要考慮，這給科學家帶來了很大的困難。
方法1:宇宙微波背景輻射
為此，科學家們提出了一個λ冷暗物質模型，也叫LCDM模型。LCDM是宇宙學標準模型的核心。人們相信宇宙的總能量由68.3%的暗能量、26.8%的暗物質和4.9%的可見物質組成。這一理論目前被廣泛接受，並允許通過新的觀測數據進行調整。
20世紀90年代，LCDM模型首次被提出。它基於廣義相對論和其他理論描述宇宙，並通過觀測宇宙微波背景輻射進行修正。宇宙微波背景輻射是大爆炸留下的餘輝。通過宇宙的波動，我們可以知道宇宙的膨脹速度，從而估計宇宙的密度。
知道宇宙的密度意味著知道宇宙的質量。
方法2:引力透鏡效應
除了LCDM模型，我們還可以通過引力透鏡效應計算遙遠星系的質量。引力透鏡效應也來自愛因斯坦的廣義相對論，廣義相對論指的是由巨大天體引起的光線彎曲，導致它後面的天體發出的光偏轉到地球上，並被我們觀察到。因此，我們可以計算一個天體的質量，只要我們知道它能引起下面天體的多少偏轉。
然而，問題是我們在短時間內所看到的遙遠天體的位置不會改變，因此我們很難知道後一個天體最初是什麼樣子，甚至我們也不知道觀察到的天體是在偏轉後才看到的，還是最初在那個位置。
為了證實這一點，我們只能從統計學的角度來分析它。通過大規模觀察，我們可以得到星系的「平均形狀」。然後將目標星系與這個相對平均的形狀進行比較，從而統計估計出它被偏轉的程度。目前，一些科學家正在做這項工作。這個項目叫做千度調查。
當然，只有通過引力透鏡效應，我們才能知道幾個星系的質量。我們不能一個一個地測量2萬億個星系的質量，所以我們只能這樣推測宇宙的密度。為此，我們需要測量這些星系的距離，通過這個距離我們可以知道它們的光被偏轉了多少，從而估計它們和地球之間有多少物質，然後找到這個宇宙區域的總質量。
接下來，只要檢測到所有方向的星系，就可以估計整個宇宙的質量。
兩種方法和兩個結果
對於未經證實的理論，我們期望通過不同的方法得到相同的結果，這樣它們可以互相支持，證明我們的猜想是正確的。不幸的是，理想很充實，而現實卻很脆弱。宇宙微波背景輻射和引力透鏡效應獲得的宇宙密度是兩個不同的值。這不是科學家第一次面臨如此尷尬的局面。當推測哈勃常數時，不同的科學家得到了非常不同的結果。
科學家推測，數據偏差可能是由於方法1中使用的標準宇宙模型的問題。在這個模型中，人們假設宇宙中的暗能量是恆定的。然而，科學家通過引力透鏡效應方法計算的宇宙質量更符合另一個宇宙模型，其中一個假設是暗能量正在增加。
這種說法有些有趣。這似乎解釋了兩種方法的不同結果，但仍需證實。事實上，暗能量正在增加的理論早就出現了，但還沒有得到充分證實。也許科學家對遙遠星系紅移的觀察或其他新發現可以證明這個猜想。
因此，我們仍然回到問題的起點:宇宙的質量或暗能量的價值最終是否會影響宇宙的最終命運。
