宇宙学一直以为的最高目标就是精准测量宇宙中的物质总量。图｜UC Riverside University

根据《天体物理》杂志刊登的最新研究成果，美国加州大学河滨分校（University of California, Riverside，简称UCR）的研究团队精确测定了宇宙中的物质总量，确定物质占宇宙物质和能量总量的31%，其余部分则由暗能量组成。

“以这个数量的物质为背景，如果宇宙中所有的物质在空间中均匀地分布，那么宇宙的平均质量密度仅相当于每立方米6个氢原子。”论文第一作者、UCR物理与天文学系的研究生穆罕默德·阿卜杜拉（Mohamed Abdullah）说，“然而，由于我们知道80%的物质实际上是暗物质，事实上，这些物质中的大多数不是由氢原子组成的，而是一种宇宙学家也还不了解的物质。”

这张哈勃太空望远镜合成图像显示:在星系团Cl 0024+17中，有一个幽灵般的暗物质“环”。图｜NASA

阿卜杜拉解释说，一种行之有效的测定宇宙物质总量的方法，是将观测到的每单位体积星系团的数量和质量，与模拟计算值进行比较——现在的星系团是几十亿年来，受自身重力作用而崩塌的物质构成的，所以目前观测到的星系团数量可以反映宇宙的状况，尤其是物质总量。

Abell 2384系统的合成图，该系统由位于距离地球12亿光年的两个星系团组成。图｜SciTech Daily

阿卜杜拉说：“物质越多，星系团也越多。我们团队面临的最大挑战是测量星系团的数量，然后确定哪个答案‘刚刚好’。但是很难精确测量任何星系团的质量，因为大部分是暗物质，我们无法用望远镜观测。”

为了克服这一困难，UCR领导的天文学家团队首先开发了“GalWeight”——一种利用星系团成员的轨道，测量星系团质量的宇宙学工具。研究人员随后将他们的工具应用于斯隆数字天空调查（Sloan Digital Sky Survey，简称SDSS）的观测，创建了“GalWCat19”，一个公开的星系团目录。最后，他们将新目录中的星团数量与模拟结果进行比较，以确定宇宙中物质的总量。

“我们已经成功地利用星系团技术进行了有史以来最精确的测量之一。”合著者、加州大学物理和天文学教授吉利安·威尔逊（Gillian Wilson）说，她也是阿卜杜拉所在实验室的负责人。“此外，这是首次使用星系轨道技术，得到的数值与使用非星系团技术，如宇宙微波背景、重子声波振荡、Ia型超新星或引力透镜的团队获得的数值一致。”

第三作者、数值模拟和宇宙学专家阿纳托里·克里平（Anatoly Klypin）说：“使用GalWeight星系轨道技术的一个巨大优势是，我们的团队能够单独测定每个星系团的质量，而不是依赖更间接的统计方法。”

通过将他们的测量结果与其他使用不同技术的团队测量数据相结合，UCR领导的团队测定了最优组合值，得出结论：物质占宇宙物质和能量总量的31.5%，误差±1.3%。

研究小组确定，物质约占宇宙物质和能量总量的31%。其中约有20%是由规则物质或“重子”构成的，它们组成了恒星、星系、原子和生命。图｜UCR/Mohamed Abdullah

编辑：沈湫莎

责任编辑：任荃

来源：世界顶尖科学家论坛

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