物質佔宇宙中物質和能量總和的三成一

宇宙學中最有趣、最重要的問題之一是，「宇宙中存在多少物質？」埃及國家天文學和地球物理研究所及日本千葉大學的科學家在內的一個國際團隊現在已經第二次成功測量宇宙中物質的總量。研究小組確定物質佔宇宙物質和能量總量的31%，其餘由暗能量所組成。

埃及國家天文學和地球物理研究所的穆罕默德·阿卜杜拉（Mohamed Abdullah）博士解釋，宇宙學家認為，只有大約20%的總物質是由普通或重子（baryonic）物質組成的，其中包括恆星、星系、原子和生命。大約80%是由暗物質構成，暗物質的神秘性質尚不清楚，但可能由一些尚未發現的亞原子粒子（subatomic particles）組成。

研究小組使用一種經過充分驗證的技術來確定宇宙中的物質總量，即把觀測到的單位體積星系團的數量和質量與數值模擬的預測結果進行比較。美國維珍尼亞大學（University of Virginia）的阿納托利·基平（Anatoly Klypin）教授說：「宇宙中物質總量的比例越高，就會形成越多的星系團。但我們很難準確測量任何星系團的質量，因為大部分物質都是暗物質，無法直接用望遠鏡看到。」

為了克服這個困難，研究小組不得不使用一種間接的星系團質量測量方式。他們基於質量較大的比質量較小的星系團包含更多的星系，即所謂的質量豐富度關係（Mass Richness Relation，簡稱 MRR）。因為星系是由發光的恆星組成，所以每個星系團中的星系數量可作為間接確定其總質量的一種方法。

透過測量來自史隆數碼巡天（Sloan Digital Sky Survey，簡稱 SDSS）的樣本中每個星系團中的星系數量，研究小組能夠估計每個星系團的總質量。然後，將觀測到的每單位體積星系團的數量和質量與數值模擬的預測進行比較。觀測和模擬之間的最佳匹配是物質佔宇宙整體的31%，這與使用普朗克（Planck）衛星的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，簡稱 CMB）觀測得到的值非常吻合。值得注意的是，宇宙微波背景是另外一種天文研究的技術。

研究小組認為，他們的成果是首次成功利用光譜學（將輻射分離成各個波段或顏色的光譜技術）來精確測定每個星系團的距離，以及與星系團有引力約束的真正成員星系，而不是視線上的背景或前景干擾星系，足以證明質量豐富度關係技術是確定宇宙參數的強大工具。

【圖：埃及國家天文學和地球物理研究所/日本千葉大學；文：節錄自台北市立天文科學教育館網頁】研究全文刊登在2023年9月13日出版的《天體物理學報》；標題是：Constraining Cosmological Parameters Using the Cluster Mass–Richness Relation