出品：科普中國

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宇宙“丟失”了80%的質(zhì)量

我想知道一個星系有多重，有什么方法呢？基于對宇宙中物質(zhì)發(fā)光特點的了解，我可以通過觀測星系的亮度，判斷里面有多少物質(zhì)，也可以通過觀測其物質(zhì)運動，根據(jù)動力學(xué)原理，計算出有多少質(zhì)量。

1933年，瑞士天文學(xué)家茲維基就是這樣估計星系團的質(zhì)量的。他驚訝地發(fā)現(xiàn)，這兩種方法測出來的質(zhì)量竟相差10倍以上！這說明星系團內(nèi)發(fā)光物質(zhì)太少，大部分物質(zhì)可能是不發(fā)光的！茲維基稱其為“短缺質(zhì)量”或“無蹤質(zhì)量”，意為一部分物質(zhì)無影無蹤不知上哪兒去了。

類似的情況逐漸被發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)家意識到，宇宙中可能存在不發(fā)光的物質(zhì)，它們雖然不發(fā)光，但是有引力，所以能夠感覺到它們的存在，這種物質(zhì)被命名為暗物質(zhì)。現(xiàn)在有越來越多的觀測證據(jù)，例如星系團的形態(tài)、星系自轉(zhuǎn)、引力透鏡、星系團發(fā)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(zhì)。根據(jù)最新的觀測結(jié)果，84.5%左右的物質(zhì)都是暗物質(zhì)！

△利用Plank衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作的從地球到可觀測宇宙邊界的質(zhì)量分布圖。亮的區(qū)域為高質(zhì)量，暗得區(qū)域為低質(zhì)量，灰色區(qū)域為受銀河系阻礙無法觀測的地方。（圖片來源：ESA/NASA/JPL-Caltech）

那么，暗物質(zhì)到底是什么組成的呢？

它可能就是普通的物質(zhì)，也就是重子物質(zhì)，比如黑矮星、褐矮星、中子星、黑洞等天體，它們和普通物質(zhì)一樣可以參與電磁相互作用發(fā)射光，但是因為發(fā)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(jù)目前的理論研究，重子物質(zhì)不可能占到這么高的比例。所以另一種可能是，暗物質(zhì)是非重子物質(zhì)。非重子物質(zhì)不參與電磁相互作用，不會發(fā)光也不吸收光。

根據(jù)粒子的運動速度也就是溫度，暗物質(zhì)分為熱暗物質(zhì)、溫暗物質(zhì)、冷暗物質(zhì)三種模型，后來針對宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的研究傾向于宇宙中主要是冷暗物質(zhì)的解釋。

暗能量

如果你認為暗物質(zhì)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(gòu)成與前世今生。在尋找宇宙“丟失”的質(zhì)量以外，科學(xué)家還在試圖解釋宇宙的來源。

根據(jù)目前主流的大爆炸理論，在大爆炸之后，隨著時間的推移，宇宙的膨脹速度將因為物質(zhì)之間的引力而逐漸減慢。也就是說，距離我們越遙遠的星系，遠離我們的速度應(yīng)該更慢一些。然而觀測卻發(fā)現(xiàn)，越遙遠的星系遠離我們的速度越快，這恰恰說明宇宙正在加速膨脹（這項研究獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎），也就是說，宇宙中還存在著一種“萬有斥力”。

到底是什么看不見的力量促使著物質(zhì)之間加速遠離呢？科學(xué)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圣，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(zhì)構(gòu)成的草木山河，日月星辰，僅占整個可觀測宇宙的不到4.9%，再加上剛才說的看不見的暗物質(zhì)占了26.8%，剩余的68.3%都是暗能量（另有熱暗物質(zhì)的候選人中微子，及輕子物質(zhì)如電子等物質(zhì)，比例很?。?！