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无论是地球 , 还是太阳 , 或者拥有上千亿颗恒星的银河系 , 都只是宇宙的一小部分 。宇宙中包含不计其数的星系、星系际介质、各种辐射以及未知的暗物质和暗能量 , 那么 , 这些东西(质能等价关系E=mc^2)加起来会有多重呢?或者说宇宙会有多重呢?
宇宙的演化过程
哈勃在20世纪初的发现 , 让人们首次认识到宇宙空间在膨胀 , 宇宙并不是处于稳恒态 。而到了20世纪末 , 天文学家进一步发现空间的膨胀速率在持续增加 。再结合其他独立的证据 , 天文学家大致了解到宇宙的演化进程 。
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宇宙起源于138亿年前的奇点 , 最初的纯能量转变为如今宇宙中的各种物质和辐射 。由于宇宙一开始经历过超光速的空间暴胀 , 这使得我们现在只能观测到半径为465亿光年的范围 , 这就是所谓的可观测宇宙 。
在可观测宇宙之外 , 那里的光还没来得及进入我们的观测范围 , 所以我们不可能知道整个宇宙的情况 。因此 , 这里讨论的宇宙质量指的是可观测宇宙的质量 。
【宇宙多重 宇宙有多重】如何测量可观测宇宙的质量?
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虽然宇宙空间现在还在加速膨胀 , 但如果宇宙中的质能密度足够大 , 引力将会让空间膨胀逐渐变慢 , 直至停止 , 甚至还会演变成坍缩的状态 。因此 , 有一个特殊的密度会决定宇宙的命运 , 这个密度被称为宇宙临界密度 。
不仅如此 , 宇宙临界密度还会影响到宇宙的几何形状 。如果宇宙密度等于临界密度 , 宇宙空间就会是平坦的 。如果它高于这个临界值 , 物质的引力会迫使空间具有正曲率 。如果它小于临界值 , 空间会有负曲率 。
如何测量宇宙的密度?
在宇宙诞生之后的前38万年里 , 宇宙是不透明的 , 因为那时的宇宙密度和温度较高 , 电子、氢离子和氦离子等离子体充满了整个宇宙 , 光子被带电粒子束缚住 。直到空间膨胀到足够大之后 , 光子获得自由 , 它们开始传向宇宙的各个角落 。
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138亿年过去了 , 宇宙最初的自由光子还非常均匀地弥漫在整个宇宙中 。只是随着空间膨胀 , 这些光子的波长逐渐变长 , 它们已成为肉眼不可见的微波 , 这些遍布宇宙的最古老光子就被称为宇宙微波背景辐射 。
宇宙微波背景辐射记录了早期宇宙的物质和能量的信息 , 通过测量宇宙微波背景辐射图谱中显示为明亮和暗淡的区域 , 可以推测出宇宙的密度 。因为物质对光施加引力 , 使其轨迹弯曲 。当微波背景光子向我们传播时 , 它们的路径被宇宙中的物质弯曲了 。宇宙中物质越多 , 光路弯曲的越多 , 天空中出现的振荡区域就越大 。
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根据威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)在2015年公布的数据 , 宇宙空间几乎是平坦的 , 这意味着宇宙的质能密度接近于临界密度 , 约为9.9×10^-27千克/立方米 。由此可见 , 宇宙密度极小 , 空间极其空旷 。
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