北京時間8月27日消息,宇宙中存在數十億個星系和數萬億顆恒星,還有數不清的行星、衛星、小行星、彗星、塵埃和氣體云,所有這些天體的構成要素是什么?它們又從何而來?

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氫是宇宙中最常見的元素,其次是氦,二者幾乎構成了所有的常規物質。然而,常規物質只占宇宙的一小部分,大約5%。宇宙的其余部分都是由看不見的東西構成的,只能通過間接方法進行探測。

大部分是氫

一切都始于大約138億年前的一次大爆炸,當時,溫度極高且密度極大的物質突然向四面八方迅速膨脹,幾毫秒后,中子、質子、電子、光子和其他亞原子粒子組成了新生的宇宙,它們以大約1000億開爾文的溫度不斷碰撞,做著高速運動。

元素周期表中所有已知的元素,以及宇宙中每一個天體,從黑洞到大質量恒星再到太空塵埃,都是在大爆炸期間產生的。我們甚至不知道在如此熾熱、密集的環境中是否存在適用的物理定律。

大爆炸后大約100秒,宇宙溫度下降到10億開爾文,依然在沸騰,大約38萬年后,宇宙冷卻到足夠讓質子和中子聚集在一起形成鋰、氦和氫同位素氘,而自由電子被捕獲形成中性原子。

因為在早期宇宙中有很多的質子,氫作為最輕的元素,只有一個質子和一個中子,成為最豐富的元素,占宇宙原子的近95%。美國國家航空航天局(NASA)的研究稱,宇宙中近5%的原子是氦。在大爆炸后大約2億年時,第一顆恒星形成了,同時產生了其他的元素,這些元素只占宇宙其余1%的常規物質中的一小部分。

看不見的粒子

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宇宙大爆炸期間還產生了另一種看不見的事物:暗物質。然而,科學家還無法說明暗物質是以什么形式出現的,因為我們還沒有探測到這些粒子。

在宇宙學中,暗物質是無法通過電磁波觀測進行研究,即不與電磁力產生作用的物質,目前,科學家只能透過引力效應來推測宇宙中大量暗物質的存在,因此,暗物質目前還不能直接觀測到,但是我們可以從宇宙的第一束光亮,即宇宙微波背景輻射中尋找暗物質的微小波動,從中獲得相關的信息。科學家在20世紀30年代首次提出暗物質的存在,認為暗物質通過看不見的引力作用,將快速移動的星系團聚集在一起。

幾十年后的20世紀70年代,美國天文學家維拉·魯賓在研究恒星自轉速度時發現了更多暗物質存在的間接證據,她發現星系外側的速度比理論預期的快得多,因此推測可能存在相當數量的暗物質,使這部分不致因過大的離心力而脫離星系。

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根據這位科學家的發現,天體物理學家計算出,暗物質——即使看不見或測量不到——應該占宇宙的很大一部分,大約20年前,科學家發現宇宙中存在著比暗物質更奇怪的東西:暗能量。在宇宙組成中,暗能量被認為比常規物質或暗物質都要豐富得多,暗物質很可能由一種(或幾種)粒子物理標準模型以外的新粒子構成,對暗物質和暗能量的研究是現代物理學和粒子物理學的重要課題。

不可抗拒的力量

暗能量假說是對宇宙加速膨脹的解釋中最為流行的一種。暗能量的發現,源于科學家想知道宇宙是會加速膨脹,還是會減慢膨脹,甚至向內坍縮。

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當研究人員進行研究時,他們發現宇宙不僅沒有向內坍縮,而且還在以前所未有的速度向外膨脹,研究人員斷定,一種未知的力量——被稱為暗能量——正在推動宇宙膨脹,并加速其動量,這些發現讓物理學家亞當·里斯、布萊恩·施密特和索爾·珀爾馬特贏得了2011年的諾貝爾物理學獎。

科學家發現,暗能量占宇宙的70%到75%,與此同時,暗物質約占20%到25%,而所謂的常規物質——我們實際上能看到的東西——估計只占宇宙的不到5%。事實上,暗能量并不是真正的能量。在愛因斯坦的理論中,能量是指所有具有引力效應的事物,包括常規物質、反物質、光和暗物質,相比之下,暗能量并沒有引力效應,其導致宇宙加速膨脹的效應有時被稱為“引力排斥”,使星系彼此遠離。

2010年,科學家發現宇宙物質的72.8%為暗能量,22.7%為暗物質,4.5%為常規物質。2013年,普朗克衛星的數據是暗能量為68.3%,暗物質為26.8%,常規物質為4.9%。

考慮到暗能量約占宇宙的四分之三,因此理解暗能量無疑是當今科學家面臨的最大挑戰,雖然暗能量在過去的宇宙演化中沒有發揮巨大的作用,但它將在未來發揮主導作用,因此,宇宙的命運取決于暗能量的性質。

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責任編輯:vivian

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宇宙的命運取決于什么?暗能量的性質

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