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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 物理 » 理论物理&天文 » 【交流】宇宙物质密度
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twxz

木虫 (正式写手)

[交流] 【交流】宇宙物质密度已有3人参与

新牛顿宇宙 第六章 暗能量
6.4 宇宙物质密度
在宇宙学研究中，在讨论宇宙中物质平均密度问题时，通常都是用宇宙临界物质密度为单位进行讨论。在有关的科普文章中我们经常可以看到，普通物质（重子物质）占4%，暗物质（非重子物质）占23%，暗能量占73%（不同学者给出的数字略有不同）这样一个说法，其中各种物质所占的百分点就是用宇宙临界物质密度为单位。宇宙中物质平均密度与宇宙临界物质密之比通常用Ω这个无量纲参数来表示。
宇宙临界物质密度这个概念，是由在爱因斯坦的宇宙学方程中，假设宇宙学常数Λ = 0时，即Friedmann的宇宙学动力学方程，推导出来的参数。根据标准宇宙学模型，如果假设宇宙学常数Λ = 0，同时承认WMAP的观测结果可以推导出宇宙的曲率k应当为0，则由Friedmann的宇宙学动力学方程，我们可以推导出的宇宙中应当有的物质平均密度，就是宇宙临界物质密度。宇宙临界物质密度只和哈勃常数以及万有引力常数有关。其具体表达式为：
ρc=3Ho^2/(8πG)
式中Ho 为哈勃常数，G 为万有引力常数。代入Ho和G的具体数值，我们可以得到
ρc=1.88h^2ⅹ10^-29 g/cm^3
式中h 是哈勃常数以100 km/s/Mpc 为单位的无量纲数值。
关于宇宙物质平均密度的实际测量，它是一个非常复杂和困难的问题。而理论计算则相对比较简单。北京大学俞允强教授在‘物理宇宙学讲义’一书第三章第四节中专门讨论了宇宙物质平均密度的实际测量这个问题。俞允强教授在讨论中提到，如果用星系为单位，再用质光比的方法推算，则发光物质对宇宙物质平均密度的贡献约为Ω=0.01。如果把星系中‘暗晕’的质量计算在内，宇宙物质平均密度约为Ω=0.03～0.1。如果用星系团为单位，则宇宙物质平均密度约为Ω=0.1～0.3。这些方法都是对典型区域作局部测量推算的结果。如果把这些结果推广到整个宇宙，则这些典型区域（星系或星系团）之间存在的物质就被忽略了。为了把典型区域之间存在的物质考虑进去，Loh 和 Spillar在1986年利用统计方法，对红移在0.5以内1000个场星系进行统计，得出的结果是，宇宙物质平均密度约为Ω=0.9（95%的置信度）。符合Einstein-de Sitter 模型(Λ = 0, Ω = 1)。
在标准宇宙学模型的理论框架下，在假设了扰动的‘幂律谱’后，根据星系形成的理论要求，宇宙学家推导出，实物密度大约只有Ω=1/3。这个结果与Loh 和 Spillar的实际观测的统计结果是相互矛盾的。对这两个相互矛盾的结果，宇宙学家偏向于采信实物密度约为Ω=1/3的理论计算结果。因为计算得到实物密度约为Ω=1/3时还用到标准宇宙学模型理论中非常重要的暴涨理论，而Loh 和 Spillar的结果和标准宇宙学模型中其它理论没有什么关系，纯粹是实际观测的统计结果。为了维护标准宇宙学模型理论的地位，宇宙学家宁愿采信理论计算的结果。即使这样做的后果是，需要引进不知为何物的暗能量，用以解决理论计算结果中，实物密度为Ω=1/3和总密度为Ω=1之间相互矛盾的难题。因为根据标准宇宙学模型理论和WMAP微波背景辐射上温度各向异性的测量，宇宙物质总密度应当为Ω=1。
根据‘科学网（sciencenet.cn）’论文频道2010-5-28文章‘天文学家或已找到宇宙丢失物质’（作者：Fabio Gastaldello 来源：《天体物理学杂志》）的报道，星系形成的流体动力学模拟显示，现今大量的重子物质可能存在于温度介于几十万摄氏度到一百万摄氏度之间的温热星系际物质（WHIM），以网络状弥漫于邻近宇宙，而不是位于恒星或者星系。在演化过程中，还会不断有炽热气体随星系风进入星系际空间。这种弥漫的高温气体极其稀薄，就算被检测到，证据也颇为模糊。但它们的总含量，要比已经被天文观测确定的重子物质还要多。加州大学天文学家利用欧航局（ESA）的XMM-牛顿太空望远镜与美国宇航局（NASA）的钱德拉X射线太空望远镜，在距地球4亿光年之处，发现巨大的星系际气体储存槽。这一发现成为迄今为止最强有力的证据，证明这些在宇宙中的弥漫之物，就是科学家不断寻找的丢失物质。
这个最新观测结果证明，在宇宙中确实存在大量的弥漫高温电离气体。它要比已经被天文观测所确定的重子物质还要多。但大部分主张标准宇宙学模型理论的宇宙学家认为，我们只能把这些温热星系际物质归结到只有4%宇宙临界物质密度的重子物质密度中。这些理论宇宙学家不愿意把它归结到，Loh 和 Spillar得出的，占0.9宇宙临界物质密度的实物密度中。因为如果这样做，就要把理论宇宙学家辛辛苦苦在标准宇宙学模型框架下建立起来的暗能量和暗物质概念从宇宙学理论中赶出去，没有存在的必要。这样做的结果可能危及整个标准宇宙学模型的理论。这就是世界各国许多科学家签名的《致科学界的公开信》中所提到的：‘连实际的观测结果也要被筛选，要依据其能否支持大爆炸理论的标准来筛选’。……‘只资助从属于大爆炸论的课题，这种做法抹杀了科学方法的一个基本原则：就是必须持续不断地用实际观察来对理论加以检验的原则。这样一种束缚使任何探讨都无法进行，也使任何研究都无法进行’。
由此我们可以看出，目前流行的看法，普通物质（重子物质）占4%，暗物质（非重子物质）占23%，暗能量占73%（不同学者估计的数字略有不同）这个说法，主要是在标准宇宙学模型理论框架下，对某些间接天文观测结果从理论上推导出来的，并不是对某个典型区域直接进行天文观测中得到的。Loh 和 Spillar对某个典型区域直接从天文观测结果统计得出的结果是：宇宙中实物物质密度可以高达宇宙临界物质密度的90%。前者之所以流行并被大众所知晓，完全是理论宇宙学家对天文观测结果依据其能否支持大爆炸理论的标准进行筛选的结果。只有这些被筛选后的结果，才能通过各种媒体的宣传，才被大众所知晓。

参考文献
71 Loh, E. D.; Spillar, E. J., 1986ApJ...307L...1L
72 天文学家或已找到宇宙丢失物质
http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/20105281018335329728.shtm
3．俞允强 物理宇宙学讲义
(新牛顿宇宙 第六章 暗能量 6.4 宇宙物质密度)
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1楼2010-07-21 07:02:21
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211985:mad:

木虫 (著名写手)

格格
★
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听说反对暗物质概念的声音有高涨了
听说
听说而已
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文心雕鳳
2楼2011-08-10 15:16:29
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温州闲人

金虫 (正式写手)
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖
由此我们可以看出，目前流行的看法，普通物质（重子物质）占4%，暗物质（非重子物质）占23%，暗能量占73%（不同学者估计的数字略有不同）这个说法，……
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请教宇宙学专家twxz楼主：
(重子物质)是只包括电子质量以上的物质、并不包括光子等轻物质、以及电磁场场物质的质量对吗？
还有“Loh 和 Spillar对某个典型区域直接从天文观测结果统计得出的结果是：宇宙中实物物质密度可以高达宇宙临界物质密度的90%。”这个天文观测结果统计是以什么为依据呢？ 即是依据星系内、或星系间运动所需的向心引力加速度推算的引力质量否。请赐教好吗
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3楼2011-08-12 07:26:40
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huanwu1990

铁虫 (正式写手)
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖
我个人是不接受暗物质这个概念的
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如果有一天，我真的成功了，那是因为我真的站在了巨人的肩膀上；
4楼2011-08-17 14:06:51
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