第626章 星系团
“但是你应该知道，星系不过是在星系团核心部位占支配地位，而在作为整体的星系团内，气体的数量至少是星系形态物质的3倍，而且可能还要多得多。
甚至气体和星系加在一起的质量也比星系团的总质量少，说明还应该存在大量暗物质。”
虚妄说道。
“说的没错，因为支撑热气体对抗星系团内引力坍缩的是气体的压力梯度。
要从观测中惟一地推导它，我们需要知道温度如何随着到星系团中心的距离而变。
通常认为，气体是等温的在整个星系团范围内温度处处相同。
这与观测结果、与证明星系团内星系无规速率和气体温度都很少变化的数字模拟结果均相符。”
五号说道。
“你要知道，气体温度当然可能在星系团外围部分下降，不过这种情况倾向于减小总质量的估计值。”
虚妄提醒道。
“我记得大卫·怀特和安迪·法比安在1995年发表的一项研究中，检验了爱因斯坦卫星得到的19个亮星系团的数据。
他们将气体质量与星系团总质量进行比较，得出气体占10％～20％，平均值约15％。”
李思特说道。
“你记的没错，但是如果加上星系的质量，这些数值还要增加（总质量的）1％～5％。所以，星系团的总重子含量远远大于平坦宇宙标准cdm模型预言的5％。
仍然需要某种暗物质，但现在只要重子物质的5倍，而不是20倍了。”
五号说道。
“你们要知道，大爆炸模型仍然认为只有临界密度的5％可以采取重子形态，这就意味着，如果星系团中的物质分布对整个宇宙具有代表性的话，那么即使将暗物质包括进去，总共也只能有临界密度的30％左右。”
虚妄说道。
“但是，要想保持密度参数的高数值，就必须允许宇宙总质量中有比5％多得多的物质存在于重子之中，可是这又被原始核合成规则所禁止。”
五号说道。
“怎么解决这个问题？”
楚云问道。
“模型本身就有很多不确定性，比如，气体可能结成团块或者不是等温的，但这未必能使结论改变很多。
然而有一个比较大的不确定性，就是星系团的距离，而星系团的距离又决定于自大爆炸以来宇宙膨胀到目前大小的速率，也就是所谓的哈勃常数。
到现在为止，我们一直假定哈勃常数是50公里每秒每百万秒差距，这接近可接受范围的低端，对应一个大而年老的宇宙。”
五号解释道。
“这些能表示什么？”
四号问道。
“很简单啊，这表示，一个位于1百万秒差距外的星系，由于宇宙膨胀，正以50公里每秒的速率离开我们，等等。
在宇宙模型中，当哈勃常数变小时，计算的重子份额将增加，但来自原始核合成的重子份额的预言值甚至增加得更快，从而使两者之间的差异缩小。
让哈勃常数取足够小的值，就能使两者达到一致，然而远在达到一致之前，重子份额早就等于1了。
既然不可能有大于100％的宇宙质量取重子形态，这种一致就可以反过来给哈勃常数规定一个绝对下限，这个下限值约等于14，单位如常。”
虚妄解释道。
“不过这个，我记得没有错的话，很少天文学家会赞赏如此极端的数值。”
五号说道。
“但是你们不要忘记了，有一个估计哈勃常数的新方法，苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应弄出来的，就是测量星系团热气体对通过它的背景辐射的影响，来决定宇宙膨胀有多快。
这个方法刚刚起步，但首批结果业已得出小的哈勃常数值，甚至可能小于50。”
虚妄说道。
“能得出结论？”
四号问道。
“得出了，标准模型的某个主要基础看来必须放弃。
这些基础中，最不重要的是暗物质必须是冷的。
由产生于大爆炸并以接近光速运动的粒子构成的热暗物质，因其粒子高速无规运动而不能有效聚集成团。
乍看起来，你们也许会猜测有大量热暗物质充满星系团之间的空间，致使星系团也不能代表宇宙物质的分布。
但是，热暗物质不能超过暗物质总量的1／3，因为热暗物质和普通重子物质之间的相互作用，将减缓星系和星系团这类结构的发展，使它们的形成推迟。”
虚妄说道，
“如果我想的没有错的话，你说的这个与观测到的遥远年老射电星系和类星体的数量相矛盾。”
五号说道。
“但你也要知道，我们肯定无法让已经发现的重子物质退出舞台，而且它们的数量可能比我们估计的还要多。”
虚妄说道。
“怎么说？”
楚云问道。
“因为，如果对星系团周围更大范围进行同样的分析，大概会得出更大质量份额是在气体中，因为星系本身团聚在星系团的中心。
在有些情况下，热气体形态的物质多达星系团质量的一半。
一般说来，气体的加热倾向于将它从星系团赶走，这进一步加剧了重子矛盾。
如果星系团之外还有冷重子物质，那么普通物质甚至比观测到的更多。”
虚妄说道。
“但你不要忘记，也有人认为，星系团可以含有多余的重子，因为它们处在宇宙中的大规模爆发产生的巨大空穴边缘，由扫荡到那里的气体团形成的。
但遗憾的是，这样的模型看来已经被排除了，因为它们将在宇宙微波背景辐射中引起过度的畸变。”
五号说道。
“这算是一个假说，但是还有人抛出了非标准核合成观念。
比方让重子丰度随地点而变。
这可以在一定程度上放宽重子份额的上限，但这些模型的人为性太明显，而且无论怎样努力也不如标准模型成功。
剩下的是最简单的解释，也是大多数宇宙学家最不愿意接受的解释，那就是宇宙的质量密度大大小于临界密度。
如果你看到的就是你拥有的，那么宇宙含有的物质总密度约为临界密度的30％，其中多达25％是重子物质。
其余75％的宇宙物质应该主要是冷暗物质，也许还有少量热暗物质。”
虚妄解释道。
甚至气体和星系加在一起的质量也比星系团的总质量少，说明还应该存在大量暗物质。”
虚妄说道。
“说的没错，因为支撑热气体对抗星系团内引力坍缩的是气体的压力梯度。
要从观测中惟一地推导它，我们需要知道温度如何随着到星系团中心的距离而变。
通常认为，气体是等温的在整个星系团范围内温度处处相同。
这与观测结果、与证明星系团内星系无规速率和气体温度都很少变化的数字模拟结果均相符。”
五号说道。
“你要知道，气体温度当然可能在星系团外围部分下降，不过这种情况倾向于减小总质量的估计值。”
虚妄提醒道。
“我记得大卫·怀特和安迪·法比安在1995年发表的一项研究中，检验了爱因斯坦卫星得到的19个亮星系团的数据。
他们将气体质量与星系团总质量进行比较，得出气体占10％～20％，平均值约15％。”
李思特说道。
“你记的没错，但是如果加上星系的质量，这些数值还要增加（总质量的）1％～5％。所以，星系团的总重子含量远远大于平坦宇宙标准cdm模型预言的5％。
仍然需要某种暗物质，但现在只要重子物质的5倍，而不是20倍了。”
五号说道。
“你们要知道，大爆炸模型仍然认为只有临界密度的5％可以采取重子形态，这就意味着，如果星系团中的物质分布对整个宇宙具有代表性的话，那么即使将暗物质包括进去，总共也只能有临界密度的30％左右。”
虚妄说道。
“但是，要想保持密度参数的高数值，就必须允许宇宙总质量中有比5％多得多的物质存在于重子之中，可是这又被原始核合成规则所禁止。”
五号说道。
“怎么解决这个问题？”
楚云问道。
“模型本身就有很多不确定性，比如，气体可能结成团块或者不是等温的，但这未必能使结论改变很多。
然而有一个比较大的不确定性，就是星系团的距离，而星系团的距离又决定于自大爆炸以来宇宙膨胀到目前大小的速率，也就是所谓的哈勃常数。
到现在为止，我们一直假定哈勃常数是50公里每秒每百万秒差距，这接近可接受范围的低端，对应一个大而年老的宇宙。”
五号解释道。
“这些能表示什么？”
四号问道。
“很简单啊，这表示，一个位于1百万秒差距外的星系，由于宇宙膨胀，正以50公里每秒的速率离开我们，等等。
在宇宙模型中，当哈勃常数变小时，计算的重子份额将增加，但来自原始核合成的重子份额的预言值甚至增加得更快，从而使两者之间的差异缩小。
让哈勃常数取足够小的值，就能使两者达到一致，然而远在达到一致之前，重子份额早就等于1了。
既然不可能有大于100％的宇宙质量取重子形态，这种一致就可以反过来给哈勃常数规定一个绝对下限，这个下限值约等于14，单位如常。”
虚妄解释道。
“不过这个，我记得没有错的话，很少天文学家会赞赏如此极端的数值。”
五号说道。
“但是你们不要忘记了，有一个估计哈勃常数的新方法，苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应弄出来的，就是测量星系团热气体对通过它的背景辐射的影响，来决定宇宙膨胀有多快。
这个方法刚刚起步，但首批结果业已得出小的哈勃常数值，甚至可能小于50。”
虚妄说道。
“能得出结论？”
四号问道。
“得出了，标准模型的某个主要基础看来必须放弃。
这些基础中，最不重要的是暗物质必须是冷的。
由产生于大爆炸并以接近光速运动的粒子构成的热暗物质，因其粒子高速无规运动而不能有效聚集成团。
乍看起来，你们也许会猜测有大量热暗物质充满星系团之间的空间，致使星系团也不能代表宇宙物质的分布。
但是，热暗物质不能超过暗物质总量的1／3，因为热暗物质和普通重子物质之间的相互作用，将减缓星系和星系团这类结构的发展，使它们的形成推迟。”
虚妄说道，
“如果我想的没有错的话，你说的这个与观测到的遥远年老射电星系和类星体的数量相矛盾。”
五号说道。
“但你也要知道，我们肯定无法让已经发现的重子物质退出舞台，而且它们的数量可能比我们估计的还要多。”
虚妄说道。
“怎么说？”
楚云问道。
“因为，如果对星系团周围更大范围进行同样的分析，大概会得出更大质量份额是在气体中，因为星系本身团聚在星系团的中心。
在有些情况下，热气体形态的物质多达星系团质量的一半。
一般说来，气体的加热倾向于将它从星系团赶走，这进一步加剧了重子矛盾。
如果星系团之外还有冷重子物质，那么普通物质甚至比观测到的更多。”
虚妄说道。
“但你不要忘记，也有人认为，星系团可以含有多余的重子，因为它们处在宇宙中的大规模爆发产生的巨大空穴边缘，由扫荡到那里的气体团形成的。
但遗憾的是，这样的模型看来已经被排除了，因为它们将在宇宙微波背景辐射中引起过度的畸变。”
五号说道。
“这算是一个假说，但是还有人抛出了非标准核合成观念。
比方让重子丰度随地点而变。
这可以在一定程度上放宽重子份额的上限，但这些模型的人为性太明显，而且无论怎样努力也不如标准模型成功。
剩下的是最简单的解释，也是大多数宇宙学家最不愿意接受的解释，那就是宇宙的质量密度大大小于临界密度。
如果你看到的就是你拥有的，那么宇宙含有的物质总密度约为临界密度的30％，其中多达25％是重子物质。
其余75％的宇宙物质应该主要是冷暗物质，也许还有少量热暗物质。”
虚妄解释道。