宇宙中有多少是暗物质?

宇宙中的大多数物质是看不见的——但它对太空中最大结构的影响却可以。

显示附近星系核心暗物质(多色)浓度的合成图像(图片来源:NASA Goddard)
显示附近星系核心暗物质(多色)浓度的合成图像(图片来源:NASA Goddard)

天文学家估计,宇宙中大约 85% 的物质是暗物质,这意味着只有 15% 的物质是正常物质。 根据欧洲核子研究中心(CERN)(欧洲核子研究组织)的说法,暗能量是天文学家给宇宙加速膨胀起的名字,暗物质约占宇宙中所有质量能量的 27% .

天文学家有多种工具来测量宇宙中物质的总量,并将其与“正常”(也称为“重子”)物质的量进行比较。 最简单的技术是比较两个测量值。

第一个测量值是大型结构(如星系)发出的光的总量,天文学家可以用它来推断该物体的质量。 第二个测量值是将大型结构固定在一起所需的估计重力。 当天文学家比较整个宇宙中的星系和星团的这些测量结果时,他们得到了相同的结果:根本没有足够的正常发光物质来解释将这些物体聚集在一起所需的引力。

因此,一定存在某种不发光的物质:暗物质。

不同的星系暗物质与正常物质的比例不同。一些星系几乎不含暗物质,而另一些星系则几乎不含正常物质。但是一次又一次的测量给出了相同的平均结果:宇宙中大约 85% 的物质不发射光或与光相互作用。

没有足够的重子

天文学家还有许多其他方法可以验证这一结果。例如,一个巨大的物体,如星系团,会扭曲它周围的时空,以至于它会弯曲任何穿过的光的路径——一种称为引力透镜的效应。然后,天文学家可以将我们从发光物体看到的质量与解释透镜效应所需的质量进行比较,再次证明一定有额外的质量潜伏在某处。

天文学家还可以使用计算机模拟来观察大型结构的生长。数十亿年前,我们的宇宙比今天小得多。恒星和星系的演化需要时间,如果宇宙只能依赖正常的可见物质,那么我们今天就看不到任何星系。相反,根据宇宙学家乔尔·普里马克(Joel Primack)的演讲,星系的增长需要暗物质“池”来收集普通物质

最后,宇宙学家可以回顾宇宙诞生仅十几分钟的时间,也就是第一批质子和中子形成的时间。宇宙学家可以利用我们对核物理学的理解来估计那个时代产生了多少氢气和氦气。

这些计算准确地预测了当今宇宙中氢与氦的比例。根据天体物理学家内德赖特的说法,他们还预测了宇宙中重子物质数量的绝对极限,这些数字与当今星系和星团的观测结果一致。

暗物质的替代品

或者,暗物质可能是对我们基于牛顿定律和爱因斯坦广义相对论的引力理论的误解。

天文学家可以调整这些理论,以在个别情况下提供对暗物质的解释,比如星系中恒星的运动。但是引力的替代方法无法解释整个宇宙中暗物质的所有观测结果。

所有证据都表明暗物质是某种未知的粒子。它不与光或正常物质相互作用,仅通过引力使自己为人所知。事实上,天文学家认为现在有数以万亿计的暗物质粒子流过你。科学家们希望尽快确定宇宙中这个神秘成分的身份。

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