北京時(shí)間8月27日消息，宇宙中存在數(shù)十億個(gè)星系和數(shù)萬(wàn)億顆恒星，還有數(shù)不清的行星、衛(wèi)星、小行星、彗星、塵埃和氣體云，所有這些天體的構(gòu)成要素是什么?它們又從何而來(lái)?

氫是宇宙中最常見(jiàn)的元素，其次是氦，二者幾乎構(gòu)成了所有的常規(guī)物質(zhì)。然而，常規(guī)物質(zhì)只占宇宙的一小部分，大約5%。宇宙的其余部分都是由看不見(jiàn)的東西構(gòu)成的，只能通過(guò)間接方法進(jìn)行探測(cè)。

大部分是氫

一切都始于大約138億年前的一次大爆炸，當(dāng)時(shí)，溫度極高且密度極大的物質(zhì)突然向四面八方迅速膨脹，幾毫秒后，中子、質(zhì)子、電子、光子和其他亞原子粒子組成了新生的宇宙，它們以大約1000億開(kāi)爾文的溫度不斷碰撞，做著高速運(yùn)動(dòng)。

元素周期表中所有已知的元素，以及宇宙中每一個(gè)天體，從黑洞到大質(zhì)量恒星再到太空塵埃，都是在大爆炸期間產(chǎn)生的。我們甚至不知道在如此熾熱、密集的環(huán)境中是否存在適用的物理定律。

大爆炸后大約100秒，宇宙溫度下降到10億開(kāi)爾文，依然在沸騰，大約38萬(wàn)年后，宇宙冷卻到足夠讓質(zhì)子和中子聚集在一起形成鋰、氦和氫同位素氘，而自由電子被捕獲形成中性原子。

因?yàn)樵谠缙谟钪嬷杏泻芏嗟馁|(zhì)子，氫作為最輕的元素，只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，成為最豐富的元素，占宇宙原子的近95%。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的研究稱(chēng)，宇宙中近5%的原子是氦。在大爆炸后大約2億年時(shí)，第一顆恒星形成了，同時(shí)產(chǎn)生了其他的元素，這些元素只占宇宙其余1%的常規(guī)物質(zhì)中的一小部分。

看不見(jiàn)的粒子

宇宙大爆炸期間還產(chǎn)生了另一種看不見(jiàn)的事物：暗物質(zhì)。然而，科學(xué)家還無(wú)法說(shuō)明暗物質(zhì)是以什么形式出現(xiàn)的，因?yàn)槲覀冞€沒(méi)有探測(cè)到這些粒子。

在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)是無(wú)法通過(guò)電磁波觀測(cè)進(jìn)行研究，即不與電磁力產(chǎn)生作用的物質(zhì)，目前，科學(xué)家只能透過(guò)引力效應(yīng)來(lái)推測(cè)宇宙中大量暗物質(zhì)的存在，因此，暗物質(zhì)目前還不能直接觀測(cè)到，但是我們可以從宇宙的第一束光亮，即宇宙微波背景輻射中尋找暗物質(zhì)的微小波動(dòng)，從中獲得相關(guān)的信息。科學(xué)家在20世紀(jì)30年代首次提出暗物質(zhì)的存在，認(rèn)為暗物質(zhì)通過(guò)看不見(jiàn)的引力作用，將快速移動(dòng)的星系團(tuán)聚集在一起。

幾十年后的20世紀(jì)70年代，美國(guó)天文學(xué)家維拉·魯賓在研究恒星自轉(zhuǎn)速度時(shí)發(fā)現(xiàn)了更多暗物質(zhì)存在的間接證據(jù)，她發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)的速度比理論預(yù)期的快得多，因此推測(cè)可能存在相當(dāng)數(shù)量的暗物質(zhì)，使這部分不致因過(guò)大的離心力而脫離星系。

根據(jù)這位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，天體物理學(xué)家計(jì)算出，暗物質(zhì)——即使看不見(jiàn)或測(cè)量不到——應(yīng)該占宇宙的很大一部分，大約20年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中存在著比暗物質(zhì)更奇怪的東西：暗能量。在宇宙組成中，暗能量被認(rèn)為比常規(guī)物質(zhì)或暗物質(zhì)都要豐富得多，暗物質(zhì)很可能由一種(或幾種)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新粒子構(gòu)成，對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的研究是現(xiàn)代物理學(xué)和粒子物理學(xué)的重要課題。

不可抗拒的力量

暗能量假說(shuō)是對(duì)宇宙加速膨脹的解釋中最為流行的一種。暗能量的發(fā)現(xiàn)，源于科學(xué)家想知道宇宙是會(huì)加速膨脹，還是會(huì)減慢膨脹，甚至向內(nèi)坍縮。

當(dāng)研究人員進(jìn)行研究時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)宇宙不僅沒(méi)有向內(nèi)坍縮，而且還在以前所未有的速度向外膨脹，研究人員斷定，一種未知的力量——被稱(chēng)為暗能量——正在推動(dòng)宇宙膨脹，并加速其動(dòng)量，這些發(fā)現(xiàn)讓物理學(xué)家亞當(dāng)·里斯、布萊恩·施密特和索爾·珀?duì)栺R特贏得了2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，暗能量占宇宙的70%到75%，與此同時(shí)，暗物質(zhì)約占20%到25%，而所謂的常規(guī)物質(zhì)——我們實(shí)際上能看到的東西——估計(jì)只占宇宙的不到5%。事實(shí)上，暗能量并不是真正的能量。在愛(ài)因斯坦的理論中，能量是指所有具有引力效應(yīng)的事物，包括常規(guī)物質(zhì)、反物質(zhì)、光和暗物質(zhì)，相比之下，暗能量并沒(méi)有引力效應(yīng)，其導(dǎo)致宇宙加速膨脹的效應(yīng)有時(shí)被稱(chēng)為“引力排斥”，使星系彼此遠(yuǎn)離。

2010年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙物質(zhì)的72.8%為暗能量，22.7%為暗物質(zhì)，4.5%為常規(guī)物質(zhì)。2013年，普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)是暗能量為68.3%，暗物質(zhì)為26.8%，常規(guī)物質(zhì)為4.9%。

考慮到暗能量約占宇宙的四分之三，因此理解暗能量無(wú)疑是當(dāng)今科學(xué)家面臨的最大挑戰(zhàn)，雖然暗能量在過(guò)去的宇宙演化中沒(méi)有發(fā)揮巨大的作用，但它將在未來(lái)發(fā)揮主導(dǎo)作用，因此，宇宙的命運(yùn)取決于暗能量的性質(zhì)。