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如何測出宇宙的質量?


更新時間:2018年01月08日  作者:原艾倫  分類: 科幻 | 時空穿梭 | 原艾倫 | 宇宙的邊緣世界 
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關于如何測出宇宙的質量,以下摘錄了兩種方法,并非‘精’準,僅供參考——

測算一:

如果我們這個宇宙的總質量是不變,遵守質量守恒定律,也不允許具有相對論質量的光子逃脫我們這個宇宙,宇宙越膨脹,物質密度逐漸變稀,溫度也逐漸降低,就到了光子逃脫的臨界點。

設宇宙和光子的質量分別為m、m,光子到宇宙中心的距離為r(也是宇宙允許的最大半徑),光子的速度為c。由于光子運動所需的向心力是由二者間萬有引力提供的,故可得:f=gmm/,fm2/r,mpv4pπ/3,已知g=6.67x1011n·m2/kg2,c2.99792458x108米/秒,理論計算得出的臨界密度為p5x1027kg/m3,π3.141592653,

得宇宙的總質量m3(3/4pπg3)0.53.415788x1053kg,

宇宙允許的最大半徑r=2645億光年,

我們生活其中的宇宙中約有近2000億個星系,小的星系有幾十億顆恒星,大的星系約有近4000億顆恒星,每個星系平均約有2000億顆恒星,恒星大約總共有:34百萬億億顆.即(34)x1022顆。取值3x1022

我們所處的太陽系中的太陽為中等大小的恒星,太陽的質量為1.98892乘以10的33次方克。據上,我們可以得到,我們生活其中的

宇宙中可見物質的質量:m15.96676乘以10的55次方克0.596676x1053kg.

其它物質質量(可能是暗物質質量):m2mm13.415788x1053kg0.596676x1053kg2.819112x1053kg而我們可以看到的物質只占宇宙總物質量的17.46%左右。

其它物質質量(可能是暗物質質量)占宇宙總物質量82.54%:——

測算二:

測量質量需要相當的前置知識,細說起來的話還真是‘挺’費工夫呢

首先要得到太陽的質量:

通過相對簡單的牛頓定律計算,就可以得到太陽的大致質量

但是其他恒星和太陽不一樣啊

根據觀測一些雙星系統、有行星的恒星系中,天體的軌道、速率、周期等,可以算出這顆恒星的質量

但不是每顆恒星都能這么算啊

觀測到一定數量的恒星的質量后,就可以得到一個規律,它描述的是質量與光度之間的關系,將它們掛鉤在一起的就是恒星的光譜比如,處于主星序的恒星質量越大溫度越高,光譜類型也有相應的特征這樣,分析一顆恒星的光譜,用測到的亮度結合算出的距離推出絕對亮度,再按照上述規律反演,就可以算出一顆恒星的質量

于是就得到所有恒星的質量了嗎?

不是,因為我們能看到的幾乎所有恒星都處于銀河系內,而銀河系中大部分恒星我們是看不見的(被銀河本身擋住的處于另一側的部分),所以要確定銀河系的結構。一是根據觀測來繪出可見部分的恒星分布,二是觀測河外星系的形態來反推銀河系。于是得到了銀河的大致形態,是一個旋渦星系

這樣就得到了可見部分的質量

我們可以看到的部分約占銀河系的40%,這個比例足夠大,所以可以用它的特征去推整個銀河系的特征,于是我們知道銀河系中70%都是太陽這樣(甚至更弱)的恒星,剩下30%大部分是大質量恒星、中子星、黑‘洞’,及相當數量的褐矮星,(還有數不盡的行星、碎石塊、星云等但它們的質量可以忽略不計),于是就得到了可見物質的質量

于是就得到了銀河系的質量了嗎?

不是。通過觀測不同距離的恒星的繞銀心公轉速率可知,僅靠可見物質不足以維持大部分恒星繞銀心公轉,計算可知暗物質占有相當大的比例;通過觀測銀河系星簇中一些矮星系向銀河系掉落的速度可知,僅靠可見物質不可能讓它們達到這樣的加速度;一些被甩出銀河的恒星也可以提供數據。綜合很多觀測和計算,暗物質占銀河系質量的7成以上。算上它們的質量,才能得到銀河系的總質量

然后就可以拿銀河的特征去算河外星系的質量

和根據規律去推恒星質量一樣,拿到了銀河的數據,就可以去觀測河外星系的總光度、光譜成分、尺寸、附近矮星系的繞行速度等,算出一個河外星系的大致質量

難道要每個星系都算一遍?

當然不行,全宇宙有數千億個星系呢。但是經過相當的觀測后,可以認為星系的分布基本是各向同‘性’的,向東看能看到100個星系的話,向西看也能看到100個,并且不同類型比例都差不多。所以未統計區域的質量就可以根據已知區域的情況去推算。這樣可以得到所有可見物質的總質量

那么暗物質呢?

這就需要涉及到宇宙加速膨脹的問題了。假定使空間擴張的能量叫做暗能量,而可見物質質量已知,那么計算擴張的速度等(具體我也不知道要算哪些啦)就可以得到暗物質的大致質量。現今測到的結果,是暗能量占73%,暗物質占23%,普通物質則只有不到4%

最終結果呢?

1053kg,這是一個估值

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