7 给宇宙称重
我们现在的任务是要盘点宇宙:它包含哪些物质,这些物质以什么样的比例存在,电磁波承载了多少能量以及是否还存在着一些特别难以检测的物质。这个盘点很重要,因为弗里德曼方程能够精确地算出,通过各自的引力作用,不同的物质对宇宙扩张有何种意义。我们将能计算出尺度因子从过去到将来如何随着时间而变化。我们也能精确地算出大爆炸是何时发生的,将来会怎样:宇宙会一直不断扩张下去,还是它终有一日会崩溃?找到这个问题的答案,我们也就能从罗伯特森的宇宙可能性列表中找到那个我们身处其中的宇宙。现在的重点是理解宇宙扩张的历史——不过,要做好出乎意料的心理准备,科学探索的道路向来如此。
之前在框10(138—140页)中已经介绍过弗里德曼方程。如果你没有仔细阅读,那么它是值得一看的。就算你不理解这个方程,也不代表你无法理解本章的内容。你只需要知道宇宙扩张的具体方式是由它所包含的物质类型和数量决定的即可。
从上文得知,宇宙微波背景(CMB)是温度在2.73开氏度的光子气团,通过一些本科阶段的数据统计方法,我们可以算出,现在在每立方厘米的空间内平均有410CMB光子。这也意味着,这些光子承载的总能量是十万分之四焦耳每立方千米(4×10-14J/m3)。以日常生活标准来看,这个能量密度非常小:一个10瓦的电灯泡每秒钟能发射10焦耳的光能1。这个能量密度的引力影响就是,它能减缓宇宙扩张的速度。
为了方便计算,我们把这个能量密度转换成质量密度。把它除以光速的平方,得出的质量密度是4.5×10-31千克/立方米。平均质量密度这个概念对于有实际质量的粒子来说(比如质子或电子)是很清楚的:我们只需要清点某区域内所有粒子的质量,然后除以这个区域的体积就行了。光子不一样,它们承载能量,但是没有质量。这个特殊性是爱因斯坦狭义相对论的特点之一,我们在这里不对其做过多描述,只需要知道,这些光子承载的能量对宇宙的进化有着引力作用,这个作用能够被量化,因为它和宇宙总质量密度2(4.5×10-31千克/立方米)相关。
图5.8已经告诉我们,在假设宇宙的物质和能量是平均分布的前提下(我们称均匀的和各向同性的宇宙),宇宙的几何形状有3种可能性。如果平均质量密度正好等于某一个确定的值,我们称之为临界密度,那么通过弗里德曼方程我们得出宇宙是平的。如果平均质量密度高于临界密度,那么宇宙就是球形;如果低于临界密度,那么宇宙就是双曲形3。如果把研究螺旋星系得到的哈勃常量放进来,H=70千米/秒/百万秒差距,那么临界密度就是9×10-27千克/立方米。因为质子的质量是1.67×10-27千克,这里就有一个有意思的想法:临界密度正好对应着平均每立方米5个质子(这里使用质子进行对比没有特别用意,就像说一头亚洲大象的质量相当于约30个人一样)。这样看来,光子的分量比临界密度要小得多,也就是说,如果宇宙除了光子别无他物,那么我们生活的宇宙就是一个双曲形,会无限延伸。但是,宇宙当然不仅仅是由光构成的。
我们知道了宇宙中光子承载多少能量,就能马上算出中微子承载了多少能量。这是因为,在刚诞生几秒的宇宙中,中微子和光子都在同一温度下,和其他粒子一起飞速撞击。中微子的能量密度比光子略低,原因详见框12(177页)。加在一起,中微子和光子大约在今天的质量密度中占有7.5×10-31千克/立方米的份额。
上一章提到,今天的宇宙中,如果每个质子或中子对应有17亿个光子,那么大爆炸核合成的计算和所观测到的数据就是吻合的。从我们对宇宙微波背景(CMB)的研究看,宇宙每立方厘米有410个光子。综上所述,宇宙平均每4立方米约有1个质子或中子。所以,质子和中子应该占宇宙物质中的绝对质量,因为它们比唯一的其他普通粒子4——电子——要重2000多倍。突然,我们就有了这样的预测:宇宙中构成所有星体、云体和星系的物质的总体密度是4×10-28千克/立方米。如果这一点被证明是错误的,那么我们主张的大爆炸理论就不能成立。
我们现在做的事情,即推算今天的宇宙中每立方米平均有多少光子、中微子、质子、中子和电子,这是很了不起的。更了不起的是,我们还知道这些质子和中子如何组合成氢、氘、氦和少量的锂。这些成分组成了我们所熟悉的世界万物。当然,如果能用另一种完全不同的科学方法来证实这些数据就更好了。我们做得到,这也是现代宇宙学的亮点之一,在下一章会提到。现在,我们必须继续进行目前的话题,因为宇宙中除了光和普通物质,还有其他的东西。
框12 中微子的能量密度
在宇宙冷却的过程中,中微子在光子之前就结束了和其他物质的反应,因为弱核力比电磁力的作用距离要短得多。所以在宇宙扩张时,中微子显然无法产生任何作用力。这发生在约100亿开氏度时,在大爆炸结束后约10-5秒的时间里。在宇宙扩张时,中微子虽然没有作用力,但温度在下降,就像光子一样。现在,中微子的温度比光子的温度稍低,因为在中微子作用力结束后,光子气团因为一个叫作电子正电子淹没的过程导致了一定的升温。这个过程是一个电子遇到一个正电子(电子的反粒子)之后双双消失,被两个光子取代[1],这样便有更多的光子产生,对原来的光子相较于中微子而言有加热作用。如果你对光子和中微子的温度不同有疑惑,要记住这是可能的,因为中微子不再与任何物质反应,这便意味着它们无法和宇宙中的其他任何粒子分享能量。结果就是,今天的原始中微子温度略低于2开氏度。中微子在宇宙中构成了宇宙中微子背景辐射,它的红移约在1010,如果能制造出探测器对其进行观测就再好不过了。可惜这远超出当今的科技水平。
早在1933年,瑞士天文学家弗里茨·兹威基便在他的论文中第一次列举了强有力的证据,认为除了望远镜可以观察的可见物质之外,宇宙中还有其他形式的物质存在。他观察到,Coma星系团5中的星系的运动要比预想的快得多。构成星系团的星系都因彼此间的引力吸引而进行轨道运转,就像地球围绕太阳运转一样,只是它们之间的距离要大得多,尤其是那些几百万光年以外的星系。通过牛顿定律,如果我们知道了每个星系运转的速度,就能推算出这个星系团的总质量。这和上一章里讲到塔利-费舍尔关系时,说明恒星围绕星系运转时的举例很像,也和第3章运用牛顿定律通过行星的轨道运转推算太阳的质量一样。如果把框11(146页)中的“恒星”换成“星系”,把“星系”换成“星系团”,就能通过观测其光发射的多普勒变化,算出星系团中的星系平均运转速度。一旦知道了星系的运转速度,就能推算出星系团的质量。兹威基发现,Coma星系团的质量比它的可见物质的质量要大得多。星系团发射的光约等于30万亿个太阳发射出来的,但是它的推算质量却相当于4500万亿个太阳。这里相差得有些大。
天文学里有个术语叫质光比,意思是总质量除以光的输出总量。对于Coma星系团来说,它的质光比是4500/30=150。太阳的质光比在此单位下是16。如此大的质光比立即表明,Coma星系团的质量大多不在那些发光体上。于是我们自然而然会猜想,它的质量主要来自那些像死星和黑洞一样的暗物体,但是我们将会发现这还不全面。无论如何,大量暗物质的存在是肯定的——兹威基对这个发现很惊讶。而且我们现在还知道,这个Coma星系团没有什么特别的。最大的星系团的质光比约为250。
质光比是一个很有价值的量。如果我们知道全宇宙的平均质光比值,加上对宇宙平均亮度的测量,就能够算出宇宙的平均质量密度。宇宙的平均亮度相当于1亿3千万个太阳每立方百万秒差距。所以,如果宇宙的质光比是250,它的物质密度相当于250×1亿3千万个太阳每立方百万秒差距。太阳的质量是2×1030千克,因此得出的平均物质密度是22×10-28千克/立方米。你有理由争辩说,星系团的质光比不能等同于整个宇宙的质光比,我们又无法直接测量宇宙的质光比。这是对的:确实,太阳系的质光比就接近于1,因为太阳本身承载了大部分质量,同时也发出了大部分的光。相反,在一个黑洞或死星附近,质光比就会非常大,因为质量很大,但是光却很少。但是,我们取平均值的空间越大,就应该越接近于整个宇宙的情况。所以,从最大的星系团中取值,应该能得到一个差不多的宇宙平均质光比数值。
22×10-28千克/立方米的质量密度比从普通物质构成的质量密度要大5倍多,这就说明,构成宇宙的物质主要是大爆炸核合成生成物以外的物质。这一点很重要,因为它排除了不可见物来源于死星或黑洞或其他由原子构成的非发光物这一可能性,而我们从大爆炸核合成推算出的普通物质的质量密度不仅局限于可见物。我们称这类新物质为暗物质。
当然,这个结论有些大胆。我们好像仅仅因为计算数据和观测不吻合就发明了一种新物质。如果没有其他测量途径证明星系和星系团中有这些物质的存在,这个批评就是成立的。不过我们有很多其他途径,而且都得出了同样的结果。20世纪70年代,由美国天文学家薇拉·鲁宾主导的一系列观测显示,在很多星系中,恒星和气团都以比只有发光物存在的速度快得多的速度进行轨道运转。星系团也是同理,只不过运转速度太快的是星系而不是恒星。鲁宾的“星系旋转曲线”分析结果显示,星系中90%的物质都不是发光物,很长一段时间以来,这一直是暗物质存在的主要证据。
而证明暗物质存在的最富戏剧性的证据来自对一个剧烈的宇宙大碰撞余波的观测,那是两个星系团以每小时几百万英里的速度彼此穿越对方的过程。图7.1显示的是将现称为“子弹星系团”的星系的几幅图像叠加在一起的图像。背景图是由智利的口径6.5米麦哲伦望远镜和哈勃太空望远镜在可见光下拍到的合成图像。红色团块是由钱德拉X射线观测台拍到的热气体的位置(通过捕捉它们发射的X射线)。这个热气体的温度约为一亿摄氏度。蓝色团块显示的是星系团中主要的质量所在,这是通过一个对广义相对论的精妙应用——引力透镜效应的技术捕捉到的。因为这些物质的存在,子弹星系团中的时空发生了变形。这意味着,从地球上看到的任何在子弹星系团后的图像都发生了变形,因为光在到达我们这里的路上必须通过变形了的时空。图7.2是引力透镜效应的一个更明显的例子。Abell 2218星系团让它身后更遥远的星系图像发生了变形,形成了模糊的光弧。这就像透过一个红酒杯的底部看事物。
我们可以通过图像变形的程度推算出酒杯的形状,我们也可以通过图像变形的程度推算出时空的形状。然后,通过广义相对论,我们能够算出居间星系团的物质分布,因为它能告诉我们,要达成这个程度的时空变形需要什么样的物质分布。同样,通过引力透镜效应也可以算出星系团的物质构成,其计算结果和兹威基在20世纪30年代运用组成星系的轨道速度算出的结果高度吻合。运用不同方法得出了同样的结论,这一向都是我们喜闻乐见的事情。
从图7.1中,我们马上可以看出,子弹星系团的主要质量不在热气体区域。如果不提出暗物质理论,这一点就无法解释,因为我们能看到的质量主体位于热气体区域——这就是说,如果没有暗物质的存在,蓝色区域和红色区域应该是重合的7。显然,最右边的星系团是从左边移到了右边:你能够看到X射线行进过程中留下的冲击波。在撞击过程中,气团中的带电粒子减速运行,这是意料之中的,因为热气体是由带电粒子构成的,它们会发生强烈的相互作用而相互抵消。另一方面,气团中的质量主体明显没有受到撞击的太大影响。事实上,它似乎没有受到撞击的任何影响,只是继续着它在太空中的旅程,以每小时一百多万英里的速度,径直穿过另一个星系团。撞击让星系团中存在于热气体中的大多数普通物质脱离了质量主体,而后者是以反应微弱的暗物质形式存在的。
今天,暗物质的存在已经是既定事实,虽然我们还不知道它到底是什么东西。最简单的想法就是,可能有一种在地球上还没有观测到的新型粒子存在。这个推测很有道理:如果说我们在地球上观测到的粒子类型就是宇宙的全部粒子类型,这未免痴人说梦。如我们所见,暗物质似乎只明显地受到引力的影响,这也是为什么它们是黑暗的。可以想象,它们和其他粒子也有一些微弱的非引力的相互作用,并可能制造出一些通过地球粒子物理实验室能探测到的粒子。这个可能性不是随口一说,因为有些风靡粒子物理学界的观点预言了这种暗物质粒子的存在,而这些观点并没有得到任何天文学和宇宙学的推动。我们在下一章也会讲到,暗物质还可以通过研究宇宙中星系聚集的方式和宇宙微波背景细节的分析进行推算。
现在是时候喘口气,把我们对宇宙物质组成的探索进行一个小结了。通过研究,我们得出,在现阶段:
(i)光子和中微子造成的平均质量密度是7.5×10-31千克/立方米;(ii)由原子核和电子构成的普通物质的密度约为4×10-28千克/立方米;(
)暗物质和普通物质的总量密度平均数是22×10-28千克/立方米。也就是说,暗物质自身的密度是18×10-28千克/立方米。
因为这些物质的总密度是临界密度(9×10-27千克/立方米)的30%,所以我们生活在一个双曲形宇宙的可能性还是存在的。不过值得注意的一点是:临界密度对应的是每立方米5个质子,而暗物质和普通物质总量对应的是每立方米1.5个质子。为什么这些数字如此相似?若不是有了对之前研究结果的偏见,我们会很容易地想象一些与这些数字相差万里的数值:比如每立方米一万亿个质子,或者每百万秒差距1个质子。观测到的密度数据与临界密度值如此接近,这很有巧合的意思,但或许却是个线索。无论如何,可以肯定的是,我们的宇宙离平面形不太远。
在弗里德曼方程看来,这个巧合更让人惊讶,因为物质密度和临界密度的差别应该随着时间的推移而变大8。这就是说,如果现在的密度值接近于临界密度值(事实如此),那么它在过去更接近于临界密度值。这是一个物理学家称之为“精细调节”问题的具体例子。就好像因为宇宙的物质密度在大爆炸时期进行了非常精确的调节,这才生成了我们现在看到的宇宙。换句话说,如果我们发现现在的宇宙接近于平面形,则宇宙在大爆炸时期一定极其接近平面形。宇宙学家称这个为“平坦度问题”。
很多宇宙学家宁愿研究一个密度等于临界密度的完全平面的宇宙,而不是一个接近平面的宇宙。乍一看,这是个有偏见的问题,为什么科学家喜欢一个等同于临界密度的宇宙,而不是一个相当于临界密度30%的宇宙?对于这个明显的偏见的解释就是,有一个很简单的原因能说明宇宙可能表现为平面的。具体地说,如果一个有曲度的宇宙足够大,它也可以表现为平面的。
宇宙的大小与平坦度的联系不难理解。如果一个人只不过在地球上漫步了很有限的距离,他就很容易误认为地球是平的,因为地球对他来说太大。同样,如果我们只是在浩瀚宇宙的一角进行天文学研究,那么我们也很容易得出结论,认为宇宙是平面的。大家在弗里德曼方程中能够看到这个想法(再参考框10,138页):增大R值相当于缩小取决于宇宙形状的值,那么可以想象无限增大R值,使得宇宙形状不再相关。这样一来,宇宙即使在最大尺度上不是平面的,它也可能表现为平面的。
于是,宇宙密度为什么应该接近于临界密度,这个问题变成了宇宙为什么有这么大的问题。如我们在第1章提到,一个巨大的宇宙是膨胀理论的自然结果。现在你也许能明白,为什么宇宙学家倾向于假设我们生活在一个平面的宇宙中,它的质量密度非常接近于临界密度,而不是临界密度的30%。在超平面的情况下,我们的任务“仅仅”是找到一个理论(比如膨胀理论),来说明宇宙比可观测到的宇宙要无限大得多。这比试图寻找一个理论,证明这个宇宙的半径R正好和可观测的宇宙大小一样要容易得多。显然,假设我们生活在一个非常平坦的宇宙中,而不是一个接近平坦的宇宙中,问题在于要找到剩下的70%的质量密度去哪儿了。令人诧异的是,基于非常平坦的宇宙的理论偏见似乎是正确的,虽然证据完全来自一个出乎意料的方向:在20世纪末期,爱因斯坦的宇宙常量如凤凰涅槃般再次回归人们的视野。
它距离地球3万光年,包含50万颗恒星,可以在北半球用双筒望远镜观察到;(右)半人马座球状星团,银河系最大的球状星团。
我们在第5章中提到了宇宙常量,爱因斯坦在他的广义相对论的方程中引入了这个常量,并试图构建一个非扩张宇宙的可行的模式,然而他失败了。爱因斯坦把这归为他最大的错误。之后,当今的宇宙可能有一个宇宙常量,这个可能性一直无法挤入宇宙学家们的优先任务表中——直到20世纪90年代。
弗里德曼方程能够让我们计算宇宙的年龄(如果我们知道不同种类物质的平均质量密度和现今的哈勃常量的话)。问题在于,一个只相当于临界密度30%的物质密度值和70千米/秒/百万秒差距的哈勃常量意味着,宇宙要比其中的一些内容物要年轻。这显然是一个悖论。这个问题源于对球状星团年龄的界定。
天文学家钟情于球状星团,因为仅用一个小望远镜就能在球状星团上看到夜空中的一些极其壮观的美景。它们是一堆堆的恒星团,在银河系里不计其数。图7.3中左边的那个就是北方星座猎犬座的Messier3球状星团。这张照片是比尔·张伯伦,一个从70岁高龄开始从事天文学爱好的朋友拍摄到的。最壮观最著名的球状星团是半人马座,它是银河系最大的球状星团,距离地球只有15800光年,含有1000万颗恒星,因此无比耀眼夺目。欧洲南方天文台的拉西拉天文台拍到了一张极好的半人马座的照片,见图7.3。对于像M3这样的星团,天文学家可以通过研究其组成恒星的色彩和亮度的变化来计算星团的年龄。他们算出M3的年龄约为114亿年。
为了方便研究恒星,天文学家们根据它们的颜色(这和它们的表面温度有直接关系)和亮度制成图表。这个图表就是赫罗图9(HR图)。
图7.4是半人马座(右边)和昴宿星(左边)的赫罗图。这两幅图非常漂亮,因为上面的恒星显然不是随机分布的。在昴宿星赫罗图中,大多数恒星都以同一扫频曲线排列,炽热的蓝色恒星是最亮的,稍冷的红色恒星是最暗的。这个曲线叫作主星序。主星序在半人马座就不是那么明显。相反,恒星的排列往后折回,这意味着半人马座有很多闪亮的红色恒星,这些恒星叫红巨星。
赫罗图的基本物理学知识不难理解。主星序的恒星就像太阳一样,忙着把内核的氢聚合成氦。聚合反应释放出的能量生成了抵制向内引力的压力,只要它还有持续燃烧的能量,就允许恒星以稳定形式存在。质量更大的恒星需要更多热能,以生成更高的压力,从而抵制向内的引力,因此这些恒星更热更蓝,代价就是它们的燃烧速度更快。而质量较小的恒星需要的能量较少,所以它们更暗更红,燃烧的速度也更慢。当恒星燃尽了氢,就会产生收缩,内核加热,恒星开始燃烧氦,于是,就产生了包括氧和碳的重金属。恒星超热的内核导致外层扩张、冷却,形成冷却但明亮的恒星,红巨星。可以在赫罗图的右上方看到红巨星。这样一来,恒星进化的过程在赫罗图中就一目了然。对我们来说,最主要的发现是,当恒星燃尽了氢,就会移出主星序,出现在红巨星部分,这个情况在半人马座比在昴宿星更明显。
明亮的蓝白恒星会首先移出主星序,然后是太阳这样的黄色恒星,最后就剩下长命的暗红色矮星:这些恒星的燃料足够让它们燃烧宇宙目前年龄的很多倍。在一段相对短的时间后,红巨星的燃料耗尽,它们的内核坍缩,形成白矮星,那些质量最大的则形成中子星或者黑洞。白矮星是暗淡的蓝白色恒星残留物,它们在赫罗图的左下方。现在你大概可以看出赫罗图是如何帮助界定星团的年龄了。古老的星团包含更多的红巨星和白矮星,在主星序的恒星较少;而对于那些很年轻的星团,所有的恒星都会在主星序上,没有红巨星。
这个信息明确告诉我们,昴宿星比半人马座要年轻得多,因为它没有红巨星,它有很多年轻的明亮的蓝星,同时,在半人马座有很多红矮星、红巨星和白矮星。除了确定星团的相对年龄,天文学家们还能做更多,因为他们了解恒星的进化。我们曾在第2章利用核物理知识算出了太阳的年龄,同理我们也能算出星团中恒星的年龄。比如,在半人马座的赫罗图中,在主星序上没有像太阳这样的黄色恒星。我们已经知道,主星序上黄色恒星的年龄和太阳一样,约有100亿年,这就是说,半人马座的年龄大于100亿年。事实上,它的年龄是115亿年。
这个数值很有意思,因为它比目前这个以70千米/秒/百万秒差距扩张,平均质量密度只有临界密度30%的宇宙的年龄只大了一点儿。运用弗里德曼方程,这个宇宙的年龄大约是113亿年。有的球状星团的年龄超过了120亿年,这样情况就更严重了。但是,只要假设宇宙有宇宙常量,其大小对应的质量密度相当于70%的临界密度,球状星团的年龄问题就可以瞬间解决。这个假设有两个优势:把宇宙的预测年龄提高到140亿年,把总质量密度提高到100%——适用于平面宇宙的设想。到了20世纪90年代中期,包括我们在下一章要讲到的星系形成理论在内的其他数据,都指向了宇宙常量存在的可能性。不过,宇宙常量得到多数学者的肯定还是在1998年。
这一年,两个天文学家团队发表了他们对1A类超新星的红移距离关系的研究结果。也就是说,和我们在上一章测量宇宙当前扩张率一样,他们也做了哈勃图表,只是他们用的是1A类超新星,不是螺旋星系。要知道,这些正在爆炸中的恒星对于天文学家来说极有价值,因为他们的爆炸方式是一样的,也就是说,我们可以通过观测它们的亮度来测算它们的距离。由于超新星能够从很远的距离看到,人们就可以用它们来观测宇宙在过去几十亿年的扩张情况,这比用螺旋星系观测要好得多。
几年来,通过对几十个超新星的数据收集,超新星宇宙计划和高红移超新星搜寻队发表了他们的研究结果。他们各自都发现,大多数距离遥远的超新星都比预想的要暗淡,也就是说,在一个仅以物质为主导的宇宙中,它们的实际距离要远得多。对于这些数据,最合适的解释是,宇宙不是在减速扩张,而是在加速扩张。在一个只包含普通物质和暗物质的宇宙中,物质的引力会导致扩张速度逐渐下降,所以减速扩张应该是符合常理的。而加速扩张则是宇宙常量存在的标志。毫无疑问,超新星的测量结果最引人注目的是,如果和宇宙常量相关的质量密度等于临界密度的70%,那么一切都说得通。也就是说,宇宙还真是平的——我们的理论直觉是对的。
人们现在经常把宇宙常量叫作暗能量。这个听上去更神秘的名字意味着,对于宇宙为什么加速扩张可能还有更深层次的解释——也许有某种物质的存在效仿了宇宙常量的影响。人们众说纷纭,但迄今为止,对于暗能量是什么还没有一个令人信服的说法,也许它就仅仅是一个宇宙常量。有种说法是,空的空间本身也是一种能量来源(叫作真空能量)——这是一个类似于粒子物理学的理论,我们在下一章还会谈到它。但这个真空能量的概念有一个很大的问题:粒子物理学对宇宙常量的计算结果比实际观测到的要大得多得多。因为这个原因,粒子物理学家们倾向于认为,宇宙常量实际上等于零,而且他们对真空能量的理解是有缺陷的。之所以有这个倾向,是因为对于一个理论家来说,假设一种存在的未知的物理学现象神奇地把所有大数字都抹去到只剩下零,或者假设这种存在的未知的物理学现象更神奇地把所有的大数字几乎全部抹去而差不多只剩下零,前者要容易得多。必须承认,这个逻辑并不是那么令人信服。但是,理论家们无法弄明白宇宙常量,这一事实让他们对待这个问题极其谨慎,说不定答案就存在于大自然中。而数据事实要求宇宙常量是一个非零值,这让理论家们不得不面对他们的心魔。理论偏见和数据的相悖,曾经让高红移超新星搜寻队的带头人布莱恩·施密特(他因这个发现成为2011年诺贝尔奖的共同获得者)说,他认为这项研究结果的发表将是他事业的终结,因为他自己都感觉这一定是错误的。
于是,我们这一章对现今宇宙的清算工作的成果如下:质量密度(为临界密度的百分比)分别是5%的物质、25%的暗物质和70%的暗能量。现在我们可以回答罗伯特森关于我们生活在什么样的宇宙中这个问题了。我们生活的宇宙类型是(i):我们的宇宙年龄是有限的,它将向未来无限扩张。
现在宇宙各种成分的物质和能量分布已经明确,我们就可以运用弗里德曼方程来计算宇宙在大爆炸以后所有时期的扩张速度。图7.5显示了尺度因子10如何在宇宙的四种可能情况下随时间的变化而变化,在这四种可能情况中,物质和暗能量的含量分布有变化,而我们的宇宙对应的是黑色曲线。
现今宇宙的尺度因子值对应的是1,所以我们的宇宙年龄刚刚过140亿年。说得更精确一些——关系到下一章的内容,我们有必要说得更精确——我们的意思是,从尺度因子值非常小开始过去了140亿年。事实上我们并不相信当尺度因子值太小的时候弗里德曼方程是正确的,但是我们相信,当宇宙的温度与地球上最高能量粒子对撞机——大型强子对撞机勘测到的能量一致时,这个方程是对的。这些能量对应的温度大约在1016摄氏度,而它对应的尺度因子值是微小的10-16。这个值对应的时间,是我们现在这个可见宇宙的范围在10-16×100亿光年(等于1千万千米)的时刻。尽管我们似乎不再声称能够理解宇宙的起源了,但是我们正在做一个更为大胆的断论,那就是,我们现在对宇宙进化的描述能够从这样一个时刻开始,在那时,可观测宇宙所有数以千亿计的星系的所有质量都包含在一个球体之内,按照它的大小,可以把它轻松自如地放进地球围绕太阳公转的轨道上。即使这样,我们还是太谦虚了,我们还有更大的能耐。
不过,别忘了我们要给宇宙称重这项任务。尽管对于一个宇宙学家来说,说宇宙处于临界密度就足够了,但我们还是要自己具体算一算。
运用弗里德曼方程,我们确定,可观察宇宙包含在一个半径为470亿光年的球体,由于空间扩张作用11,它比140亿光年要大。这意味着,可观察的宇宙的体积比4×1080立方米小一点点。我们确定了宇宙的平均质量密度是9×10-27千克/立方米(如果包含暗能量),所以可观察的宇宙的总质量为3×1054千克多一点点12。如此大的数字很难想象——如果有帮助的话,我们可以说,可观察的宇宙的重量是5×1054品脱苦啤酒(英制1品脱=0.5683升)。
勘测覆盖了宇宙的三分之一,使用的是位于新墨西哥州的口径2.5米光学望远镜。图中每一个小点对应的是一个星系(每个星系含有几千亿颗恒星)。星系团簇拥在一起,留下了很多空隙。现代宇宙学最大的成就也许在于,它有能力用细节来解释这幅SDSS宇宙图,以及运用相同的理论解释图8.3的宇宙微波背景(CMB)中的波纹。
- 你可能记得在第2章中提到,电子正电子湮灭导致太阳熔化链中1.02兆电子伏能量的产生,由此生成氦。
本书评论