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小小中微子决定着宇宙命运吗

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:中微子的静止质量的大小,实际上与我们的宇宙命运密切相关。如果中微子静止质量为零,则宇宙射线和引力波等对宇宙质量的贡献数量级仍然只有:如果中微子具有静止质量,局面就完全不一样了。因为中微子质量即使很小,但其数量极其庞大,所以宇宙中中微子对其总质量的贡献也是十分可观的。科学家们认为暗物质构成观察宇宙大范围的星空结构的骨架,而暗能量则是驱使今日宇宙加速膨胀的主要动力。

中微子的静止质量的大小,实际上与我们的宇宙命运密切相关。因为从基于广义相对论的宇宙学动力学方程,我们宇宙演化的总趋势,取决于宇宙的能量密度到底是多少?通俗地说,宇宙中全部物质的质量有多少?或者不那么确切地说,宇宙有多“重”?宇宙的命运,或者说平坦型问题,与临界质量有关。那么什么是临界质量呢?

由爱因斯坦的宇宙动力学方程,可以得到所谓临界质量为:

其中H是哈勃常数,G是万有引力常数。物理学家引入平坦度的概念,定义为:

即宇宙的平均物质密度与临界密度之比。

注意,如果Ω>1,则宇宙将是封闭的,反之,则将是开放的。ρ=1,则称宇宙是平直的。详情请见下表:

平坦度与宇宙演化的类型

宇宙演化三种模式

在宇宙演化三种模式图中,横坐标表示宇宙寿命,纵坐标表示宇宙尺度。最上面的曲线表示开放宇宙,中间为临界状态宇宙,下面曲线为封闭宇宙。在此,为简单起见,暂不考虑暗能量和暗物质的问题。我们首先考察普通重子物质,从银河系开始。如将其中2000亿颗恒星质量分布到银河系空间内,平均密度只有10-24克/厘米3,约每立方厘米1个原子。估算恒星质量方法很多,如利用双星轨道和距离,利用双谱分光,利用γ谱线和引力红移,利用演化状态,利用分光法等。

大体来说,星系团的总质量平均在104Ms量级。这里Ms表示太阳的质量,星系的平均质量为1011Ms。一般采用光度测量估算。照此推算,宇宙物质分布的平均密度为

但是,从动力学估计,星系和星系团中很可能存在大量“看不见”的所谓迷失质量。例如,室女座星系团中心区是活动强烈的巨型椭圆星系M87,有一个直径100万光年的发射X射线的星云,其中气体温度高达3000万摄氏度。如此高温的气体,如靠自引力束缚,M87的质量(动力学质量)应比从前估计高30倍。

星系的动力学质量大于其光学质量的现象甚为普遍。如后发座星系团,其动力学质量是其光学质量的20余倍,英仙座星系团则为100倍。就是说大量物质未被我们观察到,“迷失”不见了,实际上,这就是我们最早引入暗物质的缘由。

天体物理学家在广阔的星系际空间搜索,发现并非空无一物。在星系团内每立方厘米含氢原子不超过0.003个,而在星系际空间每立方厘米不超过104个氢原子,相应的物质密度:

即使加上发现的星际分子:氢分子和50余种有机分子,仍然微不足道。

科学家还计算诸如宇宙射线、引力波和中微子背景辐射和微波背景辐射对于宇宙总质量的贡献。如果中微子静止质量为零,则宇宙射线和引力波等对宇宙质量的贡献数量级仍然只有:

因此,从现在的观察和理论估算,我们宇宙的物质平均密度约为:

如果中微子具有静止质量,局面就完全不一样了。因为中微子质量即使很小,但其数量极其庞大,所以宇宙中中微子对其总质量的贡献也是十分可观的。设在宇宙中每立方厘米中有150个中微子(数量级大致如此)中微子的静止质量为30eV(现在看来,远远小于这个数字),则不难算出中微子的平均密度是;

这个数字是可见物质密度的50倍!这个数字与临界密度大致相等,因此,如果情况果然如此,则我们的宇宙就是一个封闭的宇宙。当然,现在看来中微子的静止质量远远小于这个数字。

人们认为,在星系际空间可能存在的暗物质,或黑洞,宇宙全部物质的平均密度大致是2×10﹣30克/厘米3≤ρ≤2× 10-29克/厘米3,就是说,平坦度:

0.2≤Ω≤2

果真如此,我们的宇宙到底是开放封闭还是临界状态不得而知。由于在20世纪90年代后期,人们又发现宇宙中存在暗能量,使问题变得更加扑朔迷离。根据最新的宇宙学观察资料,科学家们普遍认为我们观察宇宙的平坦度应该等于1。就是说从目前宇宙加速膨胀的趋势来看,我们的宇宙很可能是一个无限缓慢膨胀的开放宇宙。今日宇宙中普通物质占4%,暗物质占23%,而暗能量则占73%。科学家们认为暗物质构成观察宇宙大范围的星空结构的骨架,而暗能量则是驱使今日宇宙加速膨胀的主要动力。

(a)暗物质的三维分布图(b)暗物质的二维平面图
宇宙暗物质构成宇宙的骨架

暗能量

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