直径940亿光年的宇宙中，到底装了多少物质？科学家出最新结构

1789年，英国著名物理学家卡文迪许通过扭秤实验计算出了地球的质量。从那一天开始，人类计算出来的天体质量就越来越多。

如今，我们不仅知道地球、月球的质量，还能够计算太阳系各大天体的质量，甚至包括系外行星、恒星乃至星系的质量，我们也有一套推导方法。可是，宇宙中的天体这么多，星系总数甚至可能达到数万亿个，我们不可能一个个地进行测量。

即使能够测量这些天体的质量，也不代表宇宙的质量就能够轻松获得。我们现在知道，这些可见物质仅仅占了宇宙非常小的一部分，宇宙绝大部分还是被暗物质和暗能量所占据。二者都不与可见物质产生反应，但是暗物质可以提供引力，而暗能量则是宇宙膨胀的动力。

想要了解宇宙中到底包含了哪些物质，我们就要清楚地了解这三者之间的比例。然而说起来简单，实际探测却谈何容易。而且，根据不同的宇宙模型，三者的比例也不尽相同。

最近，来自于加州大学河滨分校和埃及国家天文学和地球物理学研究所的天文学家Mohamed Abdullah和他的团队宣布，他们进行了一次迄今为止最精确的宇宙测量，得到了可见物质、暗物质与暗能量的精确比例。他们的结论是，宇宙中所有可见物质和暗物质，占据了宇宙能量密度的31.5%，而暗能量则占据了其余的68.5%。

Abdullah形象地为我们描述了这个概念：“如果宇宙中所有的物质都平均地排列在太空中的话，这个密度大约相当于每立方厘米内有差不多6个氢原子。”

这个数字已经足够惊人了，因为仅仅地球的质量就是59.8万亿亿吨，拥有着海量的物质更不用说太阳、黑洞乃至星系了。然而，这么多物质如果分摊到整个宇宙空间，竟然是如此空旷。实际情况是，宇宙比这还要更加空旷。因为Abdullah的比喻中的氢原子只是质量的代表，实际上这些质量并不完全来自于氢原子。因为，这些物质中有80%都是暗物质。也就是说，如果是所有可见物质平均分配的话，宇宙中每立方米中只有1个氢原子多一点的质量！

那么，Abdullah的团队究竟是怎样得到这个数字的呢？

在发表于《天体物理学杂志》上的论文中，Abdullah介绍说，他们的这次研究，参考了星系团中天体的运动情况。我们知道，宇宙中天体的运行方式取决于引力，而引力又是质量的一种表现。这些包含着几百甚至几千个星系的星系团，就是在宇宙138亿年的漫长历史中在引力作用下聚集在一起的物质所组成的。在一个空间内我们能观测到的星系团数量，也是和质量密切相关的。因此，通过星系团物质的数量，我们对这个空间的质量进行简单的推测。

问题在于，这也不是那么容易测量的。

Abdullah指出：这些星系团中大部分都是暗物质，这给测量带来了很大的麻烦。为此，他们采用了一种名叫GalWeight的技术，来解决这个问题。这种技术的原理就是观测一个星系团内部和周围星系的运动轨道，确定观测的星系到底是不是属于某个特定的星系团，其测量的准确率高达98%。这样一来，他们就可以对这个星系进行更精确的测量，获得更加准确的结果。

新墨西哥州立大学的天文学家Anatoly Klypin是本次研究的参与者之一，他自信地说：“我们使用的GalWeight星系轨道技术拥有一个巨大的优势，那就是让我们团队不再需要依赖那些间接的统计学方法，而是可以单独确定某个星系团的质量。”

形象地比喻一下，他们这个技术可以看作是一个公式。而想要得到结果，还需要代入数据。本次研究的数据，则是来自于著名的斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey，缩写为SDSS）项目。该项目利用位于新墨西哥州阿帕奇山顶天文台的2.5米口径望远镜进行了长达20年的全星空观测项目，获得了海量的数据，以供其他天文研究的使用。

正是利用SDSS的数据，Abdullah的团队建立了一个星系团目录。他们将这些星系团和星系的数值模拟进行了比较，最终推测出了开篇我们提到的结果：可见物质和暗物质占了全宇宙能量的31.5%，暗能量占了其余的68.5%。

这个数据，和目前相对比较公认的λ冷暗物质宇宙模型基本一致，后者的数据是暗能量占据了宇宙总能量的68.3%，而他们的数据只有0.2%的偏差。至于暗物质和可见物质的比例，目前比较公认的比例近似于1:4。

加州大学河滨分校的天文学家Gillian Wilson自豪地说：“利用星系团相关的技术，我们成功地进行了迄今为止最精确的测量。而且，这也是星系轨道技术的第一次实际应用，这个技术所得到的数据也和其他使用不同的方法（如宇宙微波背景各向异性、重子双声振荡、Ia型超新星或引力透镜）的团队所得到的结果一致。”

这表明，这些方法都可以互相认证，基本可以确定它们都是可靠的。这不仅意味着星系轨道技术的准确性和未来的发展前景，也意味着我们对于宇宙的认识并没有太多偏离。凭借着这些基础，我们可以继续深入的研究。

我们知道，宇宙的命运取决于它到底会无限膨胀下去还是会最终收缩回来，这很大程度上取决于暗能量和暗物质的比例。如果暗能量不断增加，宇宙就会一直膨胀下去；如果暗物质占据上风，宇宙就会重新回到奇点。

当然，不论是哪个结局，都意味着宇宙的彻底毁灭。我们想要避免这个结局，就要找到更好的方法。但是，这也需要一定的研究基础的，而关于暗物质、暗能量的比例，就是这个基础。只有搞清楚它们的本质，我们才能确定宇宙最终的宿命，那也是人类的命运。