米兰 深度长文: 宇宙这么大, 科学家们是如何计算宇宙总质量的?

宇宙，这片浩瀚无垠的时空疆域，承载着无数的星系、恒星、行星，还有神秘的暗物质与暗能量。从人类仰望星空的那一刻起，对宇宙的好奇与探索就从未停止，而“宇宙究竟有多重”这个问题，更是成为了天文学界长期钻研的核心课题之一。在广袤的宇宙中，可见的天体如星系、恒星、行星等只是“冰山一角”，那些无法直接观测却主导着宇宙演化的暗物质、暗能量，更是让宇宙质量的估算充满了挑战。

如今，随着观测技术的进步和理论体系的完善，科学家们已经能够通过多种科学方法估算出宇宙的总质量，得出的结果均指向同一个数量级——10的53次方千克。然而，在自媒体的传播中，却出现了诸多荒诞不经的说法：“正反宇宙抵消后总质量为0”“宇宙质量仅28克”……这些缺乏科学依据的言论混淆了大众的认知。本文将深入剖析宇宙质量的科学估算方法，澄清不实传言，带大家走进真实的宇宙质量之谜。

首先，我们必须明确一个核心前提：宇宙的质量绝非虚无，也不可能是微不足道的28克。那些“总质量为0”的说法，本质上是对“正反物质湮灭”理论的误解。从理论上来说，宇宙大爆炸初期可能产生了等量的正物质和反物质，正物质与反物质相遇会发生湮灭，释放出巨大的能量。但现实情况是，我们所处的宇宙中，正物质占据了绝对主导地位，反物质的数量极其稀少，远远不足以与正物质完全抵消。科学家们至今仍在探索“正反物质不对称”的起源，但这并不影响宇宙存在明确总质量这一基本事实。而“28克宇宙”的说法，更是对宇宙学概念的恶意曲解或错误类比，完全脱离了观测数据和理论支撑，属于毫无根据的谣言。

要准确估算宇宙的总质量，科学家们采用了“由小及大、层层递进”的思路：从我们最熟悉的恒星（太阳）质量计算入手，逐步扩展到银河系的总质量，再利用宇宙大尺度的均匀性特征，推算出整个可观测宇宙的总质量，最后纳入暗物质、暗能量的贡献，得出最终的估算结果。这种方法的核心逻辑是“从已知推未知”，借助万有引力定律、电磁辐射规律等基础物理原理，将局部观测数据推广到宇宙大尺度范围。

第一步：从太阳质量的计算开始——万有引力定律的应用

在估算宇宙总质量的链条中，最基础的环节是计算单个恒星的质量，而我们的太阳，正是最理想的“样本恒星”。太阳的质量并非无法测量，而是可以通过太阳系内行星的运动规律，结合万有引力定律精确计算得出。这一计算过程的原理并不复杂：行星围绕太阳公转时，太阳对行星的万有引力提供了行星做圆周运动的向心力。

根据万有引力定律，太阳与行星之间的万有引力F=G*(M*m)/r²，其中G是万有引力常数（约6.67×10的-11次方牛·米²/千克²），M是太阳质量，m是行星质量，r是行星绕太阳公转的轨道半径。而行星做圆周运动的向心力F= m*(4π²r)/T²，其中T是行星的公转周期。将两个公式联立，我们可以消去行星质量m，得到太阳质量M= (4π²r³)/(G*T²)。

这一公式的巧妙之处在于，它不需要知道行星的质量，只需测量出行星的轨道半径r和公转周期T，就能计算出太阳的质量。以地球为例，地球绕太阳公转的轨道半径约为1.5×10的11次方米，公转周期T约为365天（即3.15×10的7次方秒）。将这些数据代入公式，计算得出太阳的质量约为2×10的30次方千克。这一结果经过了无数次的验证，是天文学界公认的精确值，也成为了后续计算其他天体质量的“质量单位”——天文学中常用“太阳质量”（M☉）作为天体质量的基准，1M☉=2×10的30次方千克。

第二步：其他恒星质量的测量——光谱与光度的“密码”

知道了太阳的质量，接下来的问题是：宇宙中其他恒星的质量该如何测量？显然，我们无法像测量太阳质量那样，借助每一颗恒星周围行星的运动数据——大多数恒星的行星难以被直接观测到。这时，科学家们发现了一个重要的规律：恒星的光谱、绝对亮度与质量之间存在着明确的对应关系，这一关系被称为“质光关系”。

恒星的光谱是恒星的“身份名片”，通过光谱分析，我们可以得知恒星的表面温度、化学成分、运动速度等关键信息。而绝对亮度则是恒星本身真实的发光强度（区别于地球上观测到的视亮度，视亮度会受距离影响）。科学家们通过对大量近距离恒星（这些恒星的距离可以通过三角视差法精确测量，进而推算出绝对亮度）的观测和分析，发现了质光关系的规律：对于主序星（恒星一生中稳定发光的阶段，太阳就处于主序星阶段）来说，恒星的绝对亮度与质量的3.5次方成正比。简单来说，恒星的质量越大，其内部的核聚变反应就越剧烈，释放的能量就越多，绝对亮度也就越高。

借助质光关系，科学家们只需观测到某颗恒星的光谱（确定其处于主序星阶段）和视亮度，结合距离测量数据推算出绝对亮度，就能通过质光关系反推出这颗恒星的质量。对于那些不处于主序星阶段的恒星（如红巨星、白矮星），米兰app官方网站科学家们则会结合其他观测数据（如脉动周期、表面重力加速度等），采用更复杂的理论模型来估算其质量。经过长期的观测积累，科学家们已经建立了完善的恒星质量数据库，为后续估算星系质量奠定了基础。

第三步：银河系总质量的估算——暗物质的“隐藏贡献”

在掌握了单个恒星的质量估算方法后，我们可以进一步推算整个银河系的总质量。银河系是一个由数千亿颗恒星、大量气体、尘埃以及暗物质组成的棒旋星系，要估算其总质量，需要考虑两个核心部分：可见物质（恒星、气体、尘埃）的质量和暗物质的质量。

首先是可见物质的质量估算。科学家们通过天文观测，已经大致确定了银河系的形状和结构：银河系拥有一个银心核球、一个银盘和一个银晕。银盘是银河系的主要部分，集中了大部分的恒星、气体和尘埃；银心核球位于银河系中心，是恒星密集的区域；银晕则是包裹在银盘和核球外围的稀疏区域，主要由年老的恒星和球状星团组成。通过对银河系不同区域的观测，科学家们可以统计出各个区域内不同质量恒星的数量（结合质光关系估算），再加上气体和尘埃的质量（通过射电观测、红外观测等手段测量），就能得出银河系可见物质的总质量，大约为10的11次方太阳质量（即2×10的41次方千克）。

然而，当科学家们通过恒星绕银心的转动情况来验证这一质量时，却发现了一个奇怪的现象：根据万有引力定律，星系边缘恒星的公转速度应该随着距离银心的增加而减小（就像太阳系中，外围行星的公转速度比内围行星慢）。但实际观测数据显示，银河系边缘恒星的公转速度并没有减小，反而保持恒定。这一现象表明，银河系中存在着大量我们无法直接观测到的物质，这些物质提供了额外的引力，维持了边缘恒星的高速公转——这就是暗物质。

暗物质是一种不与电磁辐射发生相互作用的物质，因此我们无法通过光学、射电等传统观测手段直接看到它，但它的存在可以通过引力效应被感知。为了准确估算银河系的总质量，科学家们通过分析不同距离处恒星绕银心的公转速度，建立了银河系的引力模型，进而推算出暗物质的质量。结果显示，暗物质的质量占据了银河系总质量的绝大部分——银河系的总质量约为10的12次方太阳质量（即2×10的42次方千克），其中暗物质的质量约为可见物质质量的10倍。这一结果也得到了其他观测手段的验证（如引力透镜效应、星系碰撞观测等），证实了暗物质在银河系中的普遍存在。

第四步：宇宙总质量的推算——大尺度均匀性与星系质量关联

在估算出银河系的总质量后，我们可以进一步推算整个可观测宇宙的总质量。这里需要借助宇宙大尺度上的一个重要特征：各向同性和均匀性。宇宙学原理指出，在足够大的尺度上（大于1亿光年），宇宙在任何方向上都是均匀的，即宇宙中星系的分布密度是恒定的。简单来说，在这个方向上观测到1万个星系，在另一个方向上大致也能观测到1万个星系；在这个区域内星系的平均质量，与其他区域内星系的平均质量大致相同。

基于这一原理，科学家们采用了类似“以点代面”的方法来估算宇宙总质量。首先，通过对银河系的研究，我们已经掌握了银河系的质量、光谱、光度等关键数据。科学家们发现，银河系的这些特征与其他类似的棒旋星系存在着普遍的关联规律——就像恒星的质光关系一样，星系的质量与光谱特征、光度之间也存在着明确的对应关系，这一关系被称为“星系质光关系”。

借助星系质光关系，科学家们只需观测到其他星系的光谱和视亮度，结合距离测量数据推算出绝对亮度，就能通过星系质光关系反推出这些星系的质量。通过对大量星系的观测和质量估算，科学家们得出了可观测宇宙中星系的平均质量和数量：可观测宇宙中大约存在2万亿个星系，每个星系的平均质量约为10的11次方太阳质量。据此推算，所有星系的总质量约为2×10的53次方千克。

但这还不是宇宙的总质量，因为除了星系内的暗物质，宇宙中还存在着星系际暗物质和暗能量。通过对宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构形成、超新星红移等观测数据的分析，科学家们已经精确测量出了宇宙中各种成分的占比：暗能量约占宇宙总能量密度的68%，暗物质约占27%，可见物质仅占5%。

需要注意的是，根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，能量和质量可以相互转化，因此在计算宇宙总质量时，需要将暗能量的能量密度转化为质量密度。

结合宇宙的膨胀速率、可观测宇宙的体积（可观测宇宙的半径约为465亿光年，体积约为3.6×10的80次方立方米）以及各种成分的能量密度数据，科学家们最终推算出，可观测宇宙的总质量约为10的53次方千克。这一结果与通过不同方法（如星系计数法、引力透镜法、宇宙微波背景辐射分析法等）得出的估算结果处于同一个数量级，进一步证实了这一数值的科学性和可靠性。

第五步：科学估算的局限性与未来探索方向

需要强调的是，我们目前估算的是“可观测宇宙”的总质量，而非整个宇宙的总质量。可观测宇宙是指以地球为中心，光在宇宙年龄（约138亿年）内能够到达地球的区域，其半径约为465亿光年。在可观测宇宙之外，宇宙可能还在无限延伸，存在着更多的星系和物质，但由于这些区域的光还没有足够的时间到达地球，我们无法对其进行观测，因此也无法将其纳入质量估算范围。

此外，暗物质和暗能量的本质仍然是尚未解决的科学难题。虽然我们能够通过引力效应感知到暗物质的存在，通过宇宙膨胀加速的现象感知到暗能量的存在，但我们对它们的成分、性质还一无所知。未来，随着新一代观测设备（如詹姆斯·韦伯太空望远镜、欧洲极大望远镜、中国空间站巡天空间望远镜等）的投入使用，以及理论物理的不断突破，我们有望更精确地测量宇宙的总质量，揭开暗物质和暗能量的神秘面纱。