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地球有多重?宇宙有多重?银河系的质量相当于8900亿个太阳

2020-05-05 04:40奇象网

来源:造就

想知道宇宙有多重吗?显然,我们不可能找到一个足够大的称。问题的答案,也许阿基米德早已给过我们提示:“给我一个支点,我就能撬起地球。”

人类很难想象宇宙尺度的概念
人类很难想象宇宙尺度的概念

当然,用杠杆原理就想称出宇宙的重量的可能性也仅仅存在于理论中。其实百科全书上已经记录了科学家测量的一些数字:太阳系中的八颗行星每颗的质量是1024至1027千克,而太阳达到了1030千克。我们的星系质量约为1042千克,整个可见宇宙的质量达到了1053千克左右。

人类很难想象如此巨大的质量是什么概念。然而,物理学家和天文学家却一直锲而不舍地继续完善这一看似无法衡量和绝对不可想象的测量。2019年底,一组研究人员公布了对银河系质量的一份新估算报告,报告估算了包括暗物质在内的银河系的总质量。

银河系的质量相当于8900亿个太阳
银河系的质量相当于8900亿个太阳

该报告显示,我们的银河系的质量相当于8900亿个太阳(其中大多数是暗物质,只有600亿的太阳质量来自于我们能看到的所有恒星和气体),最大或为1000亿个太阳。这些数字可能看起来难以理解,但都可以追溯到一种质量引起的相互作用力上。

但首先,我们需要弄清重量和质量的区别:质量和重量的本质上是两个不同的物理量,但它们又有密切的联系,它们是通过牛顿第二定律公式F=ma建立起来的。根据官方定义,“重量”描述了对物体作用的引力,它会因为引力场的变化而发生改变,但是质量并非如此,质量不会因为引力场的改变而发生改变,质量是恒定不变的。

那你可能会继续问,既然重力是因为引力,那质量是由什么引起的呢?如果我们把物质不断地进行切分,切到不可再分的粒子,那么物质的质量应该就是这些粒子质量的集合。

爱因斯坦的质能方程
爱因斯坦的质能方程

然而,当我们真的去这么做的时候才发现,这些质量只占了宇宙整体质量的不到1%。那99%的质量是从何而来呢?进一步研究的过程中,我们就需要了解一下爱因斯坦狭义相对论的质能方程部分,E=mc2。

这个方程其实就告诉我们一个事:质能等价。也就是说,质量和能量其实是同一个东西的两个物理量。所以一定的质量对应一定的能量,通过E=mc2可以进行换算。而物质99%的质量,来自于束缚夸克的强力所释放出的能量对应的质量。

研究人员真正追求的是质量这种恒量,然而,通过天文观测“称量”一个物体的质量,最终还要归结为测量物体与其他星球之间的引力。

01 地球有多重?

天文学家面对的第一个难题就是如何去对我们脚下的地球进行测量。早期的尝试是通过猜测地球的大小和密度,从而计算其质量。到17世纪,对地球直径及其体积的估计已经相当靠谱了,但是没有人能够确定密度——无论这个星球是由水还是岩石构成。然而后面的科学研究证明,大家都错了,因为这个星球实际上主要由金属组成。

卡文迪什和金属球实验
卡文迪什和金属球实验

为了计算出地球的密度,英国科学家亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)在1798年测量了地球的整体重力。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)在17世纪曾证明,所有物体都对其他物体有引力,而那些质量更大的物体的引力更大。卡文迪什将小金属球用线吊起来,在附近放置较重的球体,观察线的扭曲,以确定引力的强度。随后通过比较测量出的引力强度和地球对小球的引力,他利用牛顿方程计算出地球的密度大约为水密度的5.42倍。根据现代物理学,他和精确数字的误差只有0.7%。

02 太阳和其他行星有多重?

质量的定义与两个物体相互引力的强度有关。因此,一旦牛顿卡文迪什计算出了地球上重力的强度,从而得出了地球的质量,科学家们就拥有了对宇宙其他天体“称重”所需的工具。

通过公转周期可以计算出太阳系其他天体的质量
通过公转周期可以计算出太阳系其他天体的质量

太阳对地球产生的引力使地球每365天绕太阳一周,因此就能计算出太阳的质量。同样,通过把太阳视为和其他太阳系行星匹配的天体,研究人员可以根据行星的公转周期计算其质量。同样也可以通过这种方法得出月球的质量。

但对小行星质量的估计仍然是基于对密度和体积的合理猜测。

03 银河系有多重?

正如可以通过观察地球围绕太阳运行的速度来推断地球的质量一样,研究人员也能通过星系的旋转和运行计算出星系的质量。

正是通过这些计算,科学家在20世纪70年代首次证明了暗物质的存在。希瑟·戈斯(Heather Goss)在Air and Space杂志中解释道,在我们的太阳系中,水星的运动速度比海王星快近九倍,因为它离太阳系绝大多数质量的来源更近。研究人员预计,类似的模式应该出现在其他星系中,即在星系中的远轨道的恒星运行速度比近轨道的恒星要慢。

宇宙中还有很多我们无法观测的暗物质
宇宙中还有很多我们无法观测的暗物质

这种关系在大多数星系中都成立,但科学家们也发现了一些例外。当距离超过一定限度时,天文学家发现螺旋星系边缘的恒星以惊人的相似速度运动着。科学家们追踪了恒星在螺旋星系边缘的运动,并确定每个星系中必须有多少物质才能让这些恒星在它们的轨道上运行。然后将在每个星系中的所有已知的“正常”物质(气体、尘埃和恒星)加起来,发现还远远达不到要求。

这意味着,还有第二种无形的质量来源也在拉扯它们。

但不管怎样,天文学家通过对恒星和星系的类比分析来衡量我们的星系质量。最近的研究利用了数据库中近3000个被追踪的天体,如围绕银河系中心的恒星,星团和气体云,计算出星系的质量。

04 宇宙到底有多重?

在宇宙的尺度,你很难找到一对旋转的参照物,因此并不能通过上述的方法进行计算。

宇宙的绝对大小是未知的,并且宇宙是在不断膨胀中,所以它的质量同样是不得而知的。但是,根据美国天文学家埃德温·哈勃的发现,距离地球较远的星系都在远离地球,离得越远,远离的速度就越快(注:在物理学和天文学领域,指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象,在可见光波段,表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离,即波长变长、频率降低。20世纪初,哈勃发现,观测到的绝大多数星系的光谱线存在红移现象。这是由于宇宙空间在膨胀,使天体发出的光波被拉长,谱线因此“变红”,这称为宇宙学红移,并由此得到哈勃定律),所以天文学家可以根据光在大爆炸和今天之间传播距离的对比,计算出可观测宇宙的体积的直径为930亿光年。

 WMAP测量的明暗区域
WMAP测量的明暗区域

但是,我们不太可能去通过计算宇宙中所有天体的密度来测量宇宙的平均密度。这次,科学家们使用了威尔金森微波各向异性探测器卫星(WMAP),测量了2001年至2010年宇宙中最早的光中的暖点和冷点。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。

通过使用上述的方法,科学家计算出了宇宙的年龄和组成,包括它的总体密度:大约为每立方米六个质子。

这个数字代表了宇宙的能量密度(因为物质和能量可以用爱因斯坦著名的质能方程来转换),所以它包括可见物质、暗物质和驱动宇宙膨胀的未知暗能量。根据这个指标,宇宙中可见物质约占5%,暗物质约占27%,暗能量约占68%。

宇宙中的物质分布
宇宙中的物质分布

现在,科学家就可以同卡文迪什在1798年所做的那样,通过对体积和密度的估计,估计宇宙的整体质量大约是:

100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000千克。

如果你有耐心,请数一数这一共有多少个0,并在评论区告诉我们宇宙到底有多“重”吧!