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如何創造一個宇宙?少量普通物質+大量暗物質和暗能量

發布時間:2021-06-18 09:40 來源:新浪科技

天文學家通過暗物質對其他物體的引力效應間接繪制了暗物質的分布地圖天文學家通過暗物質對其他物體的引力效應間接繪制了暗物質的分布地圖

  你知道宇宙最大的奧秘是什么嗎?要回答這個問題,我們就得從宇宙學的基礎開始。宇宙學是對整個宇宙的研究,并且延伸至探討人類在宇宙中的地位。再細分下去,我們會進入物理宇宙學的領域,這是研究宇宙大尺度結構和宇宙形成及演化等基本問題的學科,天體物理學在這門學科的發展中起到了核心作用。

  那么,如果我們想創造出一個宇宙,需要哪些東西呢?我們所知的宇宙是由兩種基本成分和一種可選成分構成的,其中大約25%為暗物質,70%為暗能量。暗物質是一種完全看不見的東西,無論其本質到底是什么,它都不與光相互作用。直到現在,科學家依然不知道暗物質是由什么構成的,而另一方面,通過引力效應,以及與其他物質的相互作用,我們又明確知道暗物質的存在。

  除了暗物質,我們還需要大量的暗能量,這種東西就更加神秘了。在物理宇宙學中,暗能量是一種充溢空間、增加宇宙膨脹速度的能量形式。每一天,宇宙都在以更快的速度變得變大,而暗能量假說是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種?茖W家推測暗能量與時空本身的真空有關。換句話說,如果你有一個沒有任何物質和輻射的空盒子,那這個盒子實際上就充滿了暗能量。在這個推測以外,我們對暗能量的了解相當貧乏。

  對于我們已知的宇宙而言,只要有足夠的暗物質和暗能量,我們就可以占據宇宙大部分歷史中95%的內容。

  那么,那些可選的成分呢?這些就是普通物質了,即宇宙學家所謂的“重子”——如質子和中子——物質。這些物質組成了原子和分子,進而組成了行星、恒星和星系物質,以及我們人類本身。在宇宙中,所有可見的物質其實都不甚重要,但對人類而言,這些物質的存在就是一切。

  黑暗的網絡

  這就是當今的宇宙:少量的普通物質,大量的暗物質和暗能量。暗能量作用于時空結構本身,呈現為一種均勻的負壓力,可以將宇宙的邊緣撕開,導致時空膨脹;但除此之外,暗能量并沒有真正參與到日常的宇宙生活中。

  暗物質聚集在一起,形成一個巨大的復雜網絡,稱為“宇宙網”?茖W家認為,宇宙中存在巨大的暗物質球體,直徑超過一百萬光年。在這些球體之間由伸展的暗物質纖維連接著。宇宙中還有著令人難以置信的“沙漠”,即所謂的宇宙空洞——里面幾乎什么都沒有。然而,除了提供宇宙結構的骨架之外,暗物質其實沒有做其他任何事情。畢竟,暗物質不能與光相互作用,只是存在于宇宙中而已。

  少量的普通物質被困在暗物質網絡中。在星系外圍,有著被稱為暗物質暈的神秘結構,將星系包圍其中,就如同包圍太陽的太陽圈。這些巨大的球體結構中通常包含多個星系,稱為星系團。

  宇宙網是自然界中發現的最大的單一結構,充滿了整個可觀測宇宙(也許在可觀測宇宙之外還有一些,但根據定義,我們無法看得更遠)。你可能會問,可觀測宇宙有多大?目前估計,可觀測宇宙的直徑約為900億光年,但科學家認為,宇宙的真實尺寸可能要大得多。

  背后的故事

  那么,宇宙是如何變成今天的樣子的?如何讓所有這些暗物質排列在一個巨大的宇宙網中?一百年前,當科學家們還不知道暗物質是怎么回事時,他們取得了一個了不起的發現:宇宙正在膨脹。

  平均而言,星系之間的距離每一天都在變得更遠;也就是說,偶爾發生星系碰撞是完全可能的。這也意味著,過去的宇宙與現在是截然不同的,時間越往前,宇宙就越不一樣。宇宙學家可以將時鐘倒回,追溯至宇宙中的一切都被擠壓成一個點的時候:137.7億年前。當時整個可觀測的宇宙可能只有桃子那么大,而溫度超過一千萬億度。

  這是多么了不起的認識!地球上的我們怎么可能知道宇宙中發生過如此劇烈的變化?很顯然,科學家之所以可以這么說,是因為他們發現了證據。

  我們知道,如今的宇宙非常大,而過去的宇宙非常小,它那時的溫度肯定會比現在高得多(因為本質上同樣的東西都被塞進了一個小得多的體積)。在宇宙歷史的某個階段,整個宇宙會呈現等離子體的狀態,微小的電子可以自由活動。但到了某個臨界點上,宇宙一定會變得足夠大,溫度足夠低,從而能形成第一批原子,并在此過程中釋放出大量白熱輻射。這種輻射一直持續到今天,使宇宙沉浸在某種不那么強烈的微波輻射中。

  今天我們可以用微波望遠鏡看到這些微波輻射,這也是迄今為止宇宙中最大的單一光源。它們是大爆炸的遺跡,在天空中夜復一夜地存在著。沒錯,正是普通物質釋放了這些輻射。因此也可以說,即使普通物質只占據了宇宙的一小部分,但仍然非常重要。

編輯:徐菁
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