直徑940億公里的宇宙中，到底裝了多少物質科學家出最新結構

1789年，英國著名物理學家卡文迪許通過扭秤實驗計算出了地球的質量。從那一天開始，人類計算出來的天體質量就越來越多。

如今，我們不僅知道地球、月球的質量，還能夠計算太陽系各大天體的質量，甚至包括系外行星、恆星乃至星系的質量，我們也有一套推導方法。可是，宇宙中的天體這麼多，星系總數甚至可能達到數萬億個，我們不可能一個個地進行測量。

即使能夠測量這些天體的質量，也不代表宇宙的質量就能夠輕鬆獲得。我們現在知道，這些可見物質僅僅佔了宇宙非常小的一部分，宇宙絕大部分還是被暗物質和暗能量所佔據。二者都不與可見物質產生反應，但是暗物質可以提供引力，而暗能量則是宇宙膨脹的動力。

想要了解宇宙中到底包含了哪些物質，我們就要清楚地瞭解這三者之間的比例。然而説起來簡單，實際探測卻談何容易。而且，根據不同的宇宙模型，三者的比例也不盡相同。

最近，來自於加州大學河濱分校和埃及國家天文學和地球物理學研究所的天文學家Mohamed Abdullah和他的團隊宣佈，他們進行了一次迄今為止最精確的宇宙測量，得到了可見物質、暗物質與暗能量的精確比例。他們的結論是，宇宙中所有可見物質和暗物質，佔據了宇宙能量密度的31.5%，而暗能量則佔據了其餘的68.5%。

Abdullah形象地為我們描述了這個概念：“如果宇宙中所有的物質都平均地排列在太空中的話，這個密度大約相當於每立方厘米內有差不多6個氫原子。”

這個數字已經足夠驚人了，因為僅僅地球的質量就是59.8萬億億噸，擁有着海量的物質更不用説太陽、黑洞乃至星系了。然而，這麼多物質如果分攤到整個宇宙空間，竟然是如此空曠。實際情況是，宇宙比這還要更加空曠。因為Abdullah的比喻中的氫原子只是質量的代表，實際上這些質量並不完全來自於氫原子。因為，這些物質中有80%都是暗物質。也就是説，如果是所有可見物質平均分配的話，宇宙中每立方米中只有1個氫原子多一點的質量！

那麼，Abdullah的團隊究竟是怎樣得到這個數字的呢？

在發表於《天體物理學雜誌》上的論文中，Abdullah介紹説，他們的這次研究，參考了星系團中天體的運動情況。我們知道，宇宙中天體的運行方式取決於引力，而引力又是質量的一種表現。這些包含着幾百甚至幾千個星系的星系團，就是在宇宙138億年的漫長曆史中在引力作用下聚集在一起的物質所組成的。在一個空間內我們能觀測到的星系團數量，也是和質量密切相關的。因此，通過星系團物質的數量，我們對這個空間的質量進行簡單的推測。

問題在於，這也不是那麼容易測量的。

Abdullah指出：這些星系團中大部分都是暗物質，這給測量帶來了很大的麻煩。為此，他們採用了一種名叫GalWeight的技術，來解決這個問題。這種技術的原理就是觀測一個星系團內部和周圍星系的運動軌道，確定觀測的星系到底是不是屬於某個特定的星系團，其測量的準確率高達98%。這樣一來，他們就可以對這個星系進行更精確的測量，獲得更加準確的結果。

新墨西哥州立大學的天文學家Anatoly Klypin是本次研究的參與者之一，他自信地説：“我們使用的GalWeight星系軌道技術擁有一個巨大的優勢，那就是讓我們團隊不再需要依賴那些間接的統計學方法，而是可以單獨確定某個星系團的質量。”

形象地比喻一下，他們這個技術可以看作是一個公式。而想要得到結果，還需要代入數據。本次研究的數據，則是來自於著名的斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey，縮寫為SDSS）項目。該項目利用位於新墨西哥州阿帕奇山頂天文台的2.5米口徑望遠鏡進行了長達20年的全星空觀測項目，獲得了海量的數據，以供其他天文研究的使用。

正是利用SDSS的數據，Abdullah的團隊建立了一個星系團目錄。他們將這些星系團和星系的數值模擬進行了比較，最終推測出了開篇我們提到的結果：可見物質和暗物質佔了全宇宙能量的31.5%，暗能量佔了其餘的68.5%。

這個數據，和目前相對比較公認的λ冷暗物質宇宙模型基本一致，後者的數據是暗能量佔據了宇宙總能量的68.3%，而他們的數據只有0.2%的偏差。至於暗物質和可見物質的比例，目前比較公認的比例近似於1:4。

加州大學河濱分校的天文學家Gillian Wilson自豪地説：“利用星系團相關的技術，我們成功地進行了迄今為止最精確的測量。而且，這也是星系軌道技術的第一次實際應用，這個技術所得到的數據也和其他使用不同的方法（如宇宙微波背景各向異性、重子雙聲振盪、Ia型超新星或引力透鏡）的團隊所得到的結果一致。”

這表明，這些方法都可以互相認證，基本可以確定它們都是可靠的。這不僅意味着星系軌道技術的準確性和未來的發展前景，也意味着我們對於宇宙的認識並沒有太多偏離。憑藉着這些基礎，我們可以繼續深入的研究。

我們知道，宇宙的命運取決於它到底會無限膨脹下去還是會最終收縮回來，這很大程度上取決於暗能量和暗物質的比例。如果暗能量不斷增加，宇宙就會一直膨脹下去；如果暗物質佔據上風，宇宙就會重新回到奇點。

當然，不論是哪個結局，都意味着宇宙的徹底毀滅。我們想要避免這個結局，就要找到更好的方法。但是，這也需要一定的研究基礎的，而關於暗物質、暗能量的比例，就是這個基礎。只有搞清楚它們的本質，我們才能確定宇宙最終的宿命，那也是人類的命運。