29.5: 宇宙到底是由什么构成的？

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

说明宇宙密度的哪一部分是由恒星和星系贡献的，以及有多少普通物质（例如氢气、氦气和我们在地球上熟悉的其他元素）构成了总密度
描述过去 50 年中关于宇宙内容的观念发生了怎样的变化
解释一下为什么很难确定暗物质到底是什么
解释为什么暗物质帮助星系在早期宇宙中快速形成
总结一下从招商银行发射到今天宇宙的演变

我们在上一节中描述的宇宙模型是解释观测结果的最简单模型。它假设广义相对论是整个宇宙中正确的重力理论。根据这个假设，该模型解释了招商银行的存在和结构；轻元素氘气、氦气和锂的丰度；以及宇宙扩张的加速。迄今为止的所有观测结果都支持该模型的有效性，该模型被称为宇宙学的标准（或一致性）模型。

图\(\PageIndex{1}\)表\(\PageIndex{1}\)总结了目前对宇宙内容的最佳估计。恒星、星系和中微子中的发光物质贡献了达到临界密度所需质量的1％左右。另外 4% 主要以恒星间空间和星际空间中的氢气和氦气的形式出现。暗物质约占临界密度的27％。然后，暗能量的质量当量（根据\(E = mc^2\)）提供剩余的68％的临界密度。

alt — 人物宇宙\(\PageIndex{1}\)构成。宇宙中只有大约 5% 的质量和能量是我们在地球上熟悉的物质。大多数普通物质由位于星际和星际空间中的氢气和氦气组成。宇宙临界密度的1％中只有大约一半存在于恒星中。地球实验室尚未发现的暗物质和暗能量占宇宙内容的95％。

表\(\PageIndex{1}\)：哪些不同种类的物体对宇宙密度有何贡献
对象	密度占临界密度的百分比
发光物质（星星等）	<1
星际和星际空间中的氢气和氦气	4
暗物质	27
暗能量的等效质量密度	68

这张桌子应该让你大吃一惊。我们的意思是，宇宙中95％的物质要么是暗物质，要么是暗能量——这两种都没有在地球的实验室中被发现过。整本教科书侧重于发射电磁辐射的物体，但通常忽略了现有物体的95％。谁说科学界还没有什么大谜团需要解开！

该图\(\PageIndex{1}\)显示了在过去的三十年中，我们对宇宙构成的看法发生了怎样的变化。我们认为宇宙中与天文学学生由相同粒子构成的比例一直在稳步减少。

alt — 图表\(\PageIndex{2}\)变化对宇宙内容的估计。这张图显示了过去三十年来我们对宇宙内容的理解的变化。在20世纪70年代，我们怀疑宇宙中的大多数物质是看不见的，但我们认为这种物质可能是普通物质（质子、中子等），根本不会产生电磁辐射。到了20世纪80年代，大多数暗物质很可能是由我们在地球上尚未发现的东西组成的。到20世纪90年代末，各种实验表明，我们生活在一个临界密度的宇宙中，暗能量贡献了达到临界密度所需能量的70％左右。请注意，随着时间的推移，对普通发光物质（以黄色显示）相对重要性的估计值是如何减少的。

什么是暗物质？

许多天文学家发现我们描述的情况非常令人满意。现在，有几项独立实验就我们生活的宇宙类型及其所含宇宙的清单达成了共识。我们似乎已经快要有一个可以解释几乎所有事物的宇宙学模型了。其他人尚未准备好加入潮流。他们说：“让我看看我们无法直接探测到的 96% 的宇宙——例如，给我找点暗物质！”

起初，天文学家认为暗物质可能隐藏在因为不发光而显得暗的物体中（例如黑洞），或者太微弱而无法远距离观测的物体中（例如行星或白矮星）。但是，这些物体将由普通物质组成，氘的丰度告诉我们，普通物质组成的临界密度不超过5％。

暗物质可以采用的另一种可能形式是我们在地球上尚未发现的某种基本粒子，这种粒子具有质量并且足够丰富，足以贡献临界密度的23％。一些物理学理论预测了这种粒子的存在。这些粒子中有一类被命名为 WimPs，它代表弱相互作用的质量粒子。由于这些粒子不参与导致产生氘的核反应，因此氘的丰度对宇宙中可能有多少WIMPs没有限制。（也有人认为其他一些奇特粒子是暗物质的主要成分，但我们的讨论将仅限于WIMP作为有用的例子。）

如果确实存在大量的 WIMP，那么其中一些应该立即通过我们的物理实验室。诀窍是抓住他们。由于顾名思义，它们与其他物质的相互作用很弱（不经常），因此它们产生可衡量效果的可能性很小。我们不知道这些粒子的质量，但是各种理论表明，它可能是质子质量的几到几百倍。如果 WIMP 的质量是质子质量的 60 倍，那么每秒大约有 1000 万个 WIMP 会穿过你伸出的手，对你绝对没有影响。如果这看起来太令人难以置信了，请记住，中微子与普通物质的相互作用很弱，但我们最终能够 “抓住” 它们。

尽管存在挑战，但有30多项旨在检测WIMPS的实验正在运行或处于计划阶段。在设计用于探测原子的仪器中，WIMP 实际可能与原子核碰撞多少次的预测范围为每千克探测器每年 1 个事件到每 1000 年有 1 个事件。因此，探测器必须很大。必须屏蔽它免受放射性或其他类型的粒子（例如中子）穿过它的影响，因此这些探测器被放置在深海地雷中。通过与 WIMP 碰撞而赋予探测器中原子核的能量将很小，因此必须将探测器冷却到非常低的温度。

WIMP 探测器由锗、硅或氙的晶体制成。探测器被冷却到几千分之一度——非常接近绝对零。这意味着探测器中的原子太冷了，几乎没有振动。如果暗物质粒子与其中一个原子碰撞，它将导致整个晶体振动，从而使温度略有升高。其他一些相互作用可能会产生可察觉的闪光。

瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）正在进行另一种搜寻 WIMP。在这个实验中，质子碰撞的能量足以产生 WIMP。大型强子对撞机探测器无法直接探测 WIMP，但是如果产生 WIMP，它们将通过探测器，带走能量。然后，实验者将把他们在质子碰撞中检测到的所有能量相加，以确定是否缺少任何能量。

到目前为止，这些实验都没有检测到WIMP。新的实验会得到回报吗？还是科学家必须为暗物质寻找其他解释？只有时间能证明一切（图\(\PageIndex{3}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{3}\)《暗物质》。这部来自美国宇航局的漫画幽默地看待了我们对暗物质知之甚少。

暗物质与星系的形成

尽管暗物质在当今宇宙中可能难以捉摸，但没有它，星系不可能迅速形成。星系是从早期宇宙的密度波动中发展而来的，有些星系在宇宙大爆炸仅约4亿至5亿年后才形成。通过WMAP、Planck和其他实验进行的观测为我们提供了有关这些密度波动规模的信息。事实证明，我们观察到的密度变化太小，不可能在宇宙大爆炸后这么快就形成星系。在炎热的早期宇宙中，高能光子与氢气和氦气碰撞，使它们移动得如此之快，以至于重力仍然不够强，无法使原子聚集在一起形成星系。我们怎样才能将这与星系确实形成并且在我们身边的事实相调和？

我们测量CMB的仪器只能为我们提供有关与辐射相互作用的普通物质的密度波动的信息。顾名思义，暗物质根本不与光子相互作用。暗物质的密度变化本来可以大得多，并且能够聚集在一起形成引力 “陷阱”，然后这些陷阱本可以在宇宙变得透明后立即开始吸引普通物质。随着普通物质变得越来越集中，由于这些暗物质陷阱，它本可以很快变成星系。

举个比方，想象一下每半英里左右有一条林荫大道，有红绿灯。假设你是一支由警察陪同的汽车车队的一员，他们带领你经过每盏灯，即使灯是红色的。因此，当早期的宇宙不透明时，辐射会与普通物质相互作用，向普通物质传递能量并将其带走，横扫过暗物质的浓度。现在假设警察离开了车队，然后车队遇到了一些红灯。灯光充当交通陷阱；靠近的汽车现在必须停下来，所以它们会聚起来。同样，在早期的宇宙变得透明之后，普通物质只是偶尔与辐射相互作用，因此可能会落入暗物质陷阱。

简而言之，宇宙

在本章的前几节中，我们逐渐追溯了宇宙的演变。从历史上看，天文学发现一直沿着这条道路前进，因为新的仪器和新技术使我们能够在更接近时代初期进行探测。宇宙的膨胀速度是通过对附近星系的测量结果确定的。根据附近的恒星和星系确定氘气、氦气和锂的丰度被用来限制宇宙中普通物质的含量。只有在存在大量暗物质的情况下，才能解释星系中恒星和星系团内星系的运动。对宇宙年龄约为现在一半时爆炸的超新星的测量结果表明，自这些爆炸发生以来，宇宙的膨胀速度加快了。对极其微弱的星系的观测表明，星系是在宇宙仅有4亿至5亿年历史时开始形成的。对招商银行的观察证实了早期的理论，即宇宙最初非常热。

但是所有这些随着时间的推移越来越向后移动可能会让你有些头晕。因此，现在让我们来展示一下随着时间的推移，宇宙是如何演变的。

图一张图表从一开始就\(\PageIndex{4}\)总结了可观测宇宙的整个历史。宇宙开始膨胀时非常热。我们有早期宇宙中以中子、质子、电子和中微子为形式的化石残留物，以及宇宙大约 3-4 分钟时形成的原子核：氘气、氦气和少量锂。暗物质也仍然存在，但我们还不知道它是什么形式。

alt — 人物宇宙\(\PageIndex{4}\)史。这张照片总结了过去138亿年中宇宙发生的变化。质子、氘气、氦气和一些锂是在最初的火球中产生的。宇宙大爆炸大约38万年后，宇宙首次对电磁辐射变得透明。 COBE、WMAP、Planck 和其他仪器已被用来研究当时发射的、至今仍然可见的辐射（CMB）。当时宇宙是黑暗的（这种背景辐射除外），直到宇宙大爆炸仅几亿年后第一批恒星和星系才开始形成。现有的太空和地面望远镜在研究星系随后的演变方面取得了重大进展。

宇宙逐渐冷却；当宇宙存在大约38万年时，在大约3000 K的温度下，电子与质子结合形成氢原子。正如我们所见，此时宇宙对光变得透明，天文学家已经探测到此时发射的招商银行。宇宙仍然没有恒星或星系，因此它进入了天文学家所说的 “黑暗时代”（因为恒星没有照亮黑暗）。在接下来的几亿年中，暗物质密度的微小波动越来越大，形成了集中普通物质的引力陷阱，普通物质在宇宙大爆炸大约4亿至5亿年后开始形成星系。

当宇宙有大约十亿年的历史时，它已经进入了自己的复兴：它再次充满了辐射，但这次来自新形成的恒星、星团和小星系。在接下来的几十亿年中，小星系合并形成了我们今天看到的巨星。星系的星团和超级星团开始生长，宇宙最终开始像我们在附近看到的样子。

在接下来的20年中，天文学家计划在太空和地面上建造新的巨型望远镜，以便在更远的时光下进行探索。 2021年，詹姆斯·韦伯太空望远镜将在太空发射和组装，这是一台6.5米长的望远镜，是哈勃太空望远镜的继任者。预测是，有了这个强大的仪器（见图 29.1），我们应该能够回顾得足够远，可以详细分析第一批星系的形成。

关键概念和摘要

宇宙临界密度的百分之二十七由暗物质组成。为了解释这么多暗物质，一些物理学理论预测应该存在其他类型的粒子。一种类型被命名为 WIMP（微弱相互作用的巨大粒子），科学家们现在正在进行实验，试图在实验室中探测它们。暗物质在星系的形成中起着至关重要的作用。由于顾名思义，这些粒子与辐射的相互作用非常弱（如果有的话），因此它们本可以在宇宙仍然非常炎热且充满辐射的时候聚集在一起。因此，它们会形成引力陷阱，在宇宙变得透明、物质和辐射解耦之后，它们会迅速吸引并集中普通物质。物质的这种快速集中使星系得以在宇宙仅有4亿至5亿年历史时形成。

词汇表

暗物质: 非发光材料，其性质我们还不明白，但由于其对发光物质的引力影响，可以推断出它的存在

微弱相互作用的块状粒子: (WIMP) 弱相互作用的质量粒子是暗物质构成的候选物质之一