宇宙拼图：95%失踪的真相

第 1 章 宇宙拼图：95% 失踪的真相

想象一下，你打开一个巨大的存钱罐，里面装着整个宇宙的"质量"。你把所有能看见的东西——每一颗恒星、每一团星云、每一簇发光的尘埃——全部倒在天平上。天平的指针却告诉你：这些看得见的东西，只占总重量的不到 5%。剩下的 95% 在哪里？它们是什么？这就是过去半个世纪里最让天文学家"睡不着觉"的问题，也是这本书要和你一起寻找答案的旅程起点。

为了让你理解这场"宇宙失踪案"的精彩程度，我们要把案发现场一步步还原：从科学家如何"称量"整个宇宙，到普朗克卫星 2018 年公布的那张震撼人心的"成分清单"，再到你可以亲手运行的 Python 小实验。最后你会明白：看得见的东西只是宇宙的一小部分，"看不见"不等于"不存在"。

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1.1 一个让人睡不着的问题：物质去哪儿了？

故事要从 1933 年开始讲起。那一年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）把望远镜对准了一个叫做后发星系团（Coma Cluster）的地方。他数了数里面有多少个星系，又用光谱仪测出了星系运动的快慢。根据牛顿引力定律，星系团里所有物质的总质量越大，星系绕着团中心公转的速度就越快——就像转得越快的溜冰运动员，需要被同伴拉得更紧才不会飞出去。

兹威基测出来的速度太大了，大到不可思议的程度。要让那些星系跑得这么快，整个星系团的质量至少应该是"看得见的恒星"加起来的 400 倍。他把这个矛盾叫做"失踪质量问题"（Missing Mass Problem）。当时的同事都觉得他大概是算错了，或者望远镜坏了，兹威基还得到了一个有点刻薄的外号："疯子兹威基"（Crazy Zwicky）。

可是几十年后，越来越多的证据表明，兹威基可能是对的。

• 1970 年代，美国天文学家**薇拉·鲁宾**（Vera Rubin）测量了**螺旋星系**里恒星绕星系中心旋转的速度。她发现，靠近星系边缘的恒星转得太快了——按照可见物质产生的引力，它们应该早就被甩飞出去才对。这意味着每个星系周围都裹着一圈"看不见的质量"，叫作"**暗物质晕**"（Dark Matter Halo）。
• 2006 年前后，钱德拉 X 射线望远镜和哈勃太空望远镜观测到两个星系团（叫做"**子弹星系团**"，Bullet Cluster）相撞。撞击之后，可见的气体因为碰撞被留在了中间，而通过**引力透镜**（一种利用光线弯曲来测量质量分布的方法）看到的"质量中心"却偏离了气体——这被很多人视为暗物质"独立于普通物质存在"的最直接证据。

到 21 世纪初，科学家已经基本达成共识：宇宙里大部分物质，是不参与电磁相互作用的。也就是说，它不发光、不反射光、不吸收光，我们的望远镜根本"看不见"它。但它有引力，会拖拽周围的星系和光线，让我们知道它在那里。

这就是"暗物质"（Dark Matter）这个概念的来源。但故事到这里还远没有结束——因为"看不见的物质"只是失踪案的一半。

另一半来自一个更让人困惑的发现。1998 年，两个独立的天文学团队——超新星宇宙学计划（Supernova Cosmology Project）和高红移超新星搜寻队（High-z Supernova Search Team）——通过观测一种特殊的恒星爆炸（Ia 型超新星）发现：宇宙不仅在膨胀，而且膨胀得越来越快。

这就像你往天上扔一个球，球不但没掉下来，反而越飞越快。要让一个球这样飞，必须有某种力在"推"它。科学家把这种让宇宙加速膨胀的神秘力量叫做"暗能量"（Dark Energy），并把它写进了爱因斯坦一百年前提出的引力方程里。

于是"失踪的 95%"被分成了两份：

• 一份叫**暗物质**，大约占 27%；
• 一份叫**暗能量**，大约占 68%；
• 而我们熟悉的、由原子组成的"**普通物质**"（也叫**重子物质**），只剩下可怜巴巴的 5%。

| 宇宙成分 | 占总能量的比例 | 我们能用眼睛看到吗？ | 怎么被发现的？ | |----------|----------------|----------------------|----------------| | 普通物质（重子） | 约 4.9% | 一小部分能看见 | 望远镜、光谱、原子物理 | | 暗物质 | 约 26.8% | 完全看不见 | 引力效应、引力透镜、子弹星系团 | | 暗能量 | 约 68.3% | 完全看不见 | 宇宙加速膨胀、Ia 型超新星 |

> 小知识：为什么叫"重子"？因为我们熟悉的物质（恒星、空气、你和我）几乎全部由质子和中子组成，这两种粒子在物理学中统称为"重子"（baryon）。"重"在这里不是指体重，而是指它们比另一种粒子"轻子"（比如电子）更重一点点。

现在你已经知道了"失踪案"的全貌：在宇宙的全部"质量-能量预算"里，看得见的只是冰山一角。但是——科学家是怎么知道这些数字的？他们凭什么说"暗物质占 26.8%"而不是"27.2%"？这就涉及到我们接下来要讲的核心：如何"称量"整个宇宙。

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1.2 称量宇宙：临界密度与宇宙学参数 Ω

要给一个看不见、摸不着的宇宙"称重"，最聪明的办法不是直接去找秤，而是看它的"形状"和"命运"。

1.2.1 临界密度：宇宙的分水岭

1922 年，俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）在解爱因斯坦广义相对论方程时发现：整个宇宙的几何形状由它的平均物质密度决定。具体来说，存在一个"临界密度"（Critical Density），用符号 $\rho_c$ 表示。如果实际密度等于临界密度，宇宙就是"平坦的"（flat），会永远膨胀下去但速度越来越慢；如果密度大于临界密度，宇宙最终会停止膨胀，然后收缩回去，结局是一场"大坍缩"（Big Crunch）；如果密度小于临界密度，宇宙会永远膨胀下去，膨胀速度接近某个常数。

临界密度的公式是：

$$\rho_c = \frac{3H_0^2}{8\pi G}$$

公式里的 $H_0$ 是哈勃常数（Hubble Constant），描述的是当前宇宙膨胀的"快慢"；$G$ 是万有引力常数（牛顿引力公式里那个 $G$）。这两个数都是可以测量的，所以 $\rho_c$ 也能算出来。

代入普朗克卫星 2018 年公布的数据：

• $H_0 = 67.4 \text{ km/s/Mpc}$（千米每秒每百万秒差距，"Mpc"是天文里常用的长度单位，1 Mpc ≈ 326 万光年）
• $G = 6.674 \times 10^{-11} \text{ N·m}^2/\text{kg}^2$

可以得到：

$$\rho_c \approx 8.5 \times 10^{-27} \text{ kg/m}^3$$

这个数字听起来小得离谱：每立方米只有大约 5 个质子的质量。但别忘了，宇宙的体积实在太大太大了，把这么大的空间乘起来，总质量就是一个惊人的天文数字。

1.2.2 用 Ω 来描述"占比"

为了方便比较，宇宙学家引入了"密度参数" $\Omega$：

$$\Omega = \frac{\rho_{\text{实际}}}{\rho_c}$$

其中 $\rho_{\text{实际}}$ 是某一种成分的真实平均密度，$\rho_c$ 是临界密度。所以：

• $\Omega = 1$ 意味着这种成分刚好让宇宙"平坦"；
• $\Omega > 1$ 表示物质太多；
• $\Omega < 1$ 表示物质太少。

不同成分有自己对应的密度参数：

• $\Omega_b$：**重子物质**（普通物质）的占比；
• $\Omega_c$：**冷暗物质**（Cold Dark Matter，简称 CDM）的占比；
• $\Omega_\Lambda$：**暗能量**（用希腊字母 $\Lambda$，"Lambda"，代表爱因斯坦当年加进方程里的"宇宙学常数"）的占比；
• $\Omega_m = \Omega_b + \Omega_c$：**总物质**（包括普通物质和暗物质）的占比；
• $\Omega_k = 1 - \Omega_m - \Omega_\Lambda$：**曲率参数**，描述宇宙偏离"平坦"的程度。

普朗克 2018 年公布的最佳拟合值为：

• $\Omega_m \approx 0.315$（其中 $\Omega_b \approx 0.049$，$\Omega_c \approx 0.265$）
• $\Omega_\Lambda \approx 0.685$
• $\Omega_k \approx 0.000 \pm 0.005$（基本为零，也就是说我们的宇宙非常接近"平坦"）

把所有数字加起来：$0.049 + 0.265 + 0.685 \approx 0.999$，符合"宇宙几乎平坦"的预期，这就是为什么科学家说"宇宙的总密度参数 $\Omega_{\text{total}}$ 非常接近 1"。

1.2.3 怎么测出这些数字？

要测量 $\Omega_m$ 和 $\Omega_\Lambda$，最厉害的工具是"宇宙微波背景辐射"（Cosmic Microwave Background，简称 CMB）。这是宇宙大爆炸之后约 38 万年时释放出的一团"婴儿照"，是宇宙最古老的光。它充满整个宇宙，携带着宇宙刚诞生时的温度、密度、物质成分等"密码"。

1992 年，COBE 卫星首次精确测量了 CMB 的温度；2001 年，WMAP 卫星给出了更精细的图；2009 年到 2013 年，欧洲空间局的普朗克卫星（Planck）则把测量精度推到了极限——它能探测到 CMB 温度 0.00001 开尔文的微小涨落。

CMB 的温度涨落是怎么形成的呢？这要归功于一种叫"重子声学振荡"（Baryon Acoustic Oscillations，BAO）的物理过程。在宇宙早期，重子物质和辐射被引力拉到一起形成压缩波，类似往水里扔石头产生的涟漪。这些涟漪在 CMB 上留下了特殊的"声学峰"——第一个峰的高度由重子物质决定，第一峰和第二峰的高度比则反映了总物质密度。暗能量的存在则会让这些峰的位置和整体形状发生微小但可测量的偏移。

通过拟合 CMB 的功率谱（即把温度涨落按空间尺度展开后画出的曲线），科学家可以同时确定 $\Omega_b$、$\Omega_c$、$\Omega_\Lambda$、$H_0$ 等十几个参数。这就是为什么 CMB 被称为"宇宙学参数的黄金矿"。

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1.3 普朗克 2018：宇宙成分的官方账单

2018 年 7 月，普朗克卫星团队发布了最后一组数据，称为"Planck 2018 Results VI: Cosmological Parameters"。这组数据被广泛视为"标准宇宙学模型"的定海神针。下面是它的关键参数表：

| 参数 | 含义 | 数值（±1σ 误差） | |------|------|------------------| | $H_0$ | 哈勃常数 | $67.4 \pm 0.5$ km/s/Mpc | | $\Omega_b h^2$ | 重子密度（含 $h=H_0/100$） | $0.0224 \pm 0.0001$ | | $\Omega_c h^2$ | 冷暗物质密度 | $0.120 \pm 0.001$ | | $\Omega_m$ | 总物质密度参数 | $0.315 \pm 0.007$ | | $\Omega_\Lambda$ | 暗能量密度参数 | $0.685 \pm 0.007$ | | $\tau$ | 再电离光学深度 | $0.054 \pm 0.007$ | | $n_s$ | 标量谱指数 | $0.965 \pm 0.004$ | | $\sigma_8$ | 物质涨落幅度 | $0.811 \pm 0.006$ |

把这些数字换算成"看得见的占比"会非常直观。注意：这里的占比是把"普通物质 + 暗物质 + 暗能量"当作 100% 来算的，不包括引力波、光子、中微子等极小贡献。

下面这张图就是宇宙学里最著名的那张"成分饼图"：

```mermaid flowchart TD A[宇宙总质量-能量预算] --> B[暗能量 约 68.3%] A --> C[暗物质 约 26.8%] A --> D[普通物质 约 4.9%] D --> E[发光天体 恒星+气体 约 0.4%] D --> F[不发光重子 黑洞+暗星+星际介质 约 4.5%] ```

可以非常清楚地看到，真正能发出可见光的物质，在整张饼图里只占大约 0.4%——一个薄得几乎看不见的边缘。而你、我、地球、太阳、所有星星、所有星系，全部加在一起，只占宇宙总能量预算的不到 5%。

这张饼图背后，是一个让科学家既兴奋又不安的事实：我们对宇宙的了解，95% 来自"看不见"的东西。

1.3.1 重子物质里到底有什么？

你可能好奇：普通物质那 4.9% 都去哪儿了？恒星明明那么多，为什么只有 0.4%？

这个问题的答案非常有趣。我们观测到的所有恒星、所有发光气体、所有我们能用望远镜看见的明亮物质，加起来其实只占普通物质的不到 10%。剩下 90% 多的"重子物质"在哪里呢？

• **星系周围的"温热气晕"**（Warm-Hot Intergalactic Medium，WHIM）：温度在 10 万到 1000 万开尔文之间，但因为太过稀薄，不能发光，只有用 X 射线望远镜才能勉强看到一点点痕迹；
• **星系中心的超大质量黑洞**：每个大星系中心都有，引力极强，把周围的光都吞掉了；
• **棕矮星**（Brown Dwarfs）和"流浪行星"（Rogue Planets）：质量太小，无法点燃氢聚变，只能发出极微弱的红外辐射；
• **星系内部的暗物质子结构**（Substructure）：小的伴星系、暗矮星系、星系团中的"孤儿"恒星。

所以，"发光 ≠ 存在"这件事，甚至在普通物质内部就已经出现了——只是程度远没有暗物质和暗能量那么夸张。

1.3.2 "哈勃张力"：暴风雨前的乌云

普朗克卫星的数据虽然漂亮，但有一个矛盾让科学家夜不能寐：用 CMB 测出来的 $H_0$ 是 $67.4$ km/s/Mpc，而用造父变星和Ia 型超新星直接测出来的 $H_0$ 大约是 $73$ km/s/Mpc。两个数字差距大约 6 km/s/Mpc，看起来不大，但远超过各自的误差范围。

这就是天文学界著名的"哈勃张力"（Hubble Tension）。它意味着要么是测量方法有系统误差，要么是标准宇宙学模型 $\Lambda$CDM 不完整，要么真的有新物理等待被发现。无论哪种可能，都让"暗物质 + 暗能量 = 95%"这张饼图面临着被改写的命运。

我们会在后面的章节里继续追踪这条线索，现在只需要记住：科学不是一成不变的真理，而是不断被检验、修正、推翻又重建的过程。

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1.4 Python 小实验：亲手画出宇宙饼图

理论讲了一堆，是时候动动手了。我们用 Python 读取真实的 Planck 2018 参数，画一张宇宙成分饼图。整个过程只需要几行代码，任何电脑都能运行。

1.4.1 准备环境

确保你的电脑已经安装了 Python 3.7 或更高版本，并且安装了 `matplotlib` 库。如果没有安装，可以打开终端（Windows 系统叫"命令提示符"或 PowerShell，Mac 系统叫"终端"），输入：

```bash pip install matplotlib numpy ```

1.4.2 完整代码

新建一个文本文件，重命名为 `cosmic_pie.py`，然后用文本编辑器（比如 VS Code、Sublime Text，或者最简单的记事本）打开，输入下面的代码：

```python

cosmic_pie.py

用 Planck 2018 数据绘制宇宙成分饼图

import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np

===== 步骤 1：把 Planck 2018 的参数写进字典 =====

数据来源：Planck 2018 Results VI, Table 2

planck_2018 = { "H0": 67.4, # 哈勃常数，单位 km/s/Mpc "Omega_b": 0.0493, # 重子物质密度参数 "Omega_c": 0.2657, # 冷暗物质密度参数 "Omega_L": 0.6847, # 暗能量密度参数 "Omega_m": 0.3150, # 总物质密度参数 }

===== 步骤 2：把"重子物质"进一步拆成"发光"和"不发光" =====

普通物质中只有一小部分会发出可见光

visible_baryon_fraction = 0.084 # 约 8.4% 的重子物质能发光 luminous_baryon = planck_2018["Omega_b"] * visible_baryon_fraction non_luminous_baryon = planck_2018["Omega_b"] - luminous_baryon

===== 步骤 3：整理成饼图的"配料表" =====

labels = [ "暗能量 (Dark Energy)", "冷暗物质 (Cold Dark Matter)", "不发光重子物质 (Non-luminous Baryons)", "发光重子物质 (Stars + Gas)" ]

sizes = [ planck_2018["Omega_L"], planck_2018["Omega_c"], non_luminous_baryon, luminous_baryon ]

colors = ["#3B0F70", "#1F968B", "#FDE725", "#FF6F00"]

explode = (0.02, 0.02, 0.02, 0.15) # 把"发光"那一小块拉出来

===== 步骤 4：画饼图 =====

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 8), dpi=120)

wedges, texts, autotexts = ax.pie( sizes,