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暗物质与宇宙197-宇宙的物质结构
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从本质上看，宇宙中共有两类物质，一种是所被熟知的可见物质，另一种则是仍很神秘的暗物质。实际上，两者的构成物质没有任何本质区别，唯一的区别就是两者粒子结构的对称性。可见物质是对称性破缺粒子，由于粒子规律对称性破缺，粒子能够折射及反射电磁波，因此可见。而暗物质就是我们所熟知的场物质，是超对称粒子。由于对称，场态粒子只能传递电磁波而无法反射电磁波。只有场态粒子密度变化时才能折射电磁波，只有遇到对称性破缺粒子才能反射电磁波。
长期以来，极为重要的一点被忽略，那就是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能够促使物质运动的力就只有引力了。暗物质就是场物质，各种场都是场态粒子规律对称性破缺所形成的。
天文学已经得到共识，暗物质是宇宙骨架，可见物质附着在暗物质骨架上。星系并不是以一种统一的模式排列的，并不是像蛋糕表面的糖衣一样均匀分布。事实上，星系聚集成大的星系团，每个星系团都包含几十万个星系。这些星系团构成了被称为“宇宙网络”的错综复杂的模式，这一网络就是由暗物质捆绑在一起的。
总之，宇宙中有且只有两类物质，一种是所被熟知的可见物质，另一种则是神秘的暗物质。两者的构成物质没有任何本质区别，唯一的区别就是两者粒子结构的对称性。可见物质是对称性破缺粒子，而暗物质是超对称粒子。可见物质因质量对称性严重破缺而能反射电磁波可见，暗物质因质量和电荷均对称而隐身。两者通过对称性全面破缺与恢复相互转化。可见物质与暗物质都同时存在引力与斥力，宏观上都只表现为粒子间的引力与斥力差值，没有任何例外。可见物质由于明显的质量对称性破缺而具有显著的引力，因此会成团成系分布。暗物质因其超对称结构引力和斥力往往平衡，由于可见物质的引力而汇集于星系周围，由于斥力而散布于整个宇宙。暗物质的质量占比远远高于可见物质，不仅是引力场物质，也是所有场的载体。暗物质的不同对称性破缺形成不同的场。如果没有万有引力，整个宇宙将会陷入极度混乱状态。万有引力主导一切星系、星体的形成、发展与死亡，是宇宙的主宰。暗物质主宰可见物质的运动与演化，使可见物质遵循着一定规律不断发展。如果不了解宇宙暗物质的性质，就不能说已经了解了宇宙。
9.3.2宇宙的元素构成宇宙最多的两个元素是氢元素和氦元素。宇宙中各种元素以原子数来算，氢最多，占90.8%；第二位是氦，占9.1%；其他所有元素仅占0.1%。
由于物质守恒，物质不会凭空产生，意味着时间能够向前无限追溯，物质不会凭空消失，意味着时间能够向后无限发展。在历史的长河中，宇宙中有数不清的星系，热态恒星不断地消耗氢元素。然而氢元素依然能占总数量的绝大多数，这意味着氢元素一定有着强大的再生机制。如果没有氢元素的强大再生机制，整个宇宙早已没有多少氢元素，更不会有热态物质。
总之，目前已知宇宙中的氢元素原子数占比高达90.8%，氦元素原子数占比9.1%；两种轻元素的原子数占比高达99.9%，而其他重元素原子数占比仅仅只有约0.1%。宇宙中存在无数个星系，每个星系有数不清的恒星，每颗恒星都在不停地快速消耗氢元素。在恒星不断发展过程中，使氢元素、氦元素不断发展成原子数更高的重元素。如果宇宙没有氢元素的不断再生，氢元素一定早已耗尽。因此所有宇宙模型都必须解决氢元素再生的问题，否则就有悖事实，就是一个错误的宇宙模型。
9.3.3星系 
图9.1美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像
图9.2美国宇航局哈勃空间望远镜获得的完整图像
图9.1是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一。哈勃望远镜对准天空中的一小块区域进行长时间的曝光——长达数月，尽可能地捕获每一个暗弱的光点。图9.2为一完整的图像，其中包含有1万个星系。随着对于宇宙尺度的测量精度的不断提高，将很快找到一种绝佳地描述宇宙中遥远天体距离的方法。
在距离地球比较近的空间内，在距离地球约10亿光年的距离内存在一个超星系团的海洋。这些是被引力作用聚集在一起的大量成员星系。银河系本身是室女座超星系团的成员，这个超星系团正位于这张图像中央位置。在这个巨大的超星系团结构中，银河系毫无特别之处，它只是位于一隅之地的普通成员星系而已。
在这一宏伟结构中占据统治地位的是室女座星系团，这是一个由超过1300个成员星系组成的庞大集团，其直径超过5400万光年。另一个超星系团是后发座超星系团，它的位置恰好位于北方巨壁(Northern Great Wall)的中心位置。北方巨壁是一个大到令人难以想象的巨型结构，其直径约有5亿光年，宽度约3亿光年。星系“附近”最大的超星系团是时钟座超星系团，其直径超过5亿光年。
图9.3 最遥远的天体
图9.3中间部位那个不太显眼的模糊光点实际上是一个星系，距离地球315亿光年。
图9.4星系蝴蝶图
宇宙中的星系分布并非呈现随机状态，由于引力的作用，星系倾向于相互接近，从而形成规模巨大的聚合体，如星系团、超星系团、大尺度片状结构乃至所谓的巨壁。天文学家们着手记录这些星系在三维空间的位置，他们很快成功地制做出较近距离范围内星系的三维分布图。大部分此类巡天观察都将注意力集中在距离地球70亿光年之内的范围，但他们在此过程中也发现了许多类星体，这是宇宙中亮度惊人的奇特天体，其距离可能是70亿光年范围的4倍以上。
在这些努力中，斯隆数字巡天(SDSS)可能算是规模最大的一个。参与这一项目的天文学家们目前已经基本完成对1/3天空的巡天观察，并在此过程中记录下超过5亿个天体的精确位置信息。图9.4来自另一项巡天计划，这是目前规模位居第三的巡天项目。这张图像中之所以会缺失很多地方，是因为银河系的阻挡，很多天区都无法进行观测。
图9.5宇宙之网
图9.5是一份计算机模拟的宇宙所呈现的纤维网状结构，其中分布着节点，纤维带和层。这种复杂结构的起源来自宇宙微波背景辐射中微小的涟漪，这是其中密度微小变化的体现。星系巡天的结果显示宇宙似乎是一种“泡沫网状”结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带”上，而在它们的中间则是巨大的空洞，天文学上称为“巨洞”。
宇宙中包括可见物质和暗物质，可见物质主要是氢、氦、锂、铍等元素，而暗物质主要是场态粒子。宇宙中大量分布着暗物质，暗物质由于可见物质的存在而表现为不均匀性，正是由于这种不均匀性形成了万有引力。在宇宙中不存在没有暗物质的空间，而暗物质粒子具有极小的质量。正是由于暗物质无处不在，才使万有引力的手伸到无穷远。如果地球与地球上的物质之间、地球与月亮之间、地球与太阳之间、太阳与银河系之间、银河系与其他星系之间都没有暗物质，万有引力之手是如何伸到亿万光年以外的？
星系由恒星所构成，恒星的形成机制基本已经达成共识。恒星是由吸积核吸积星云而成的。所有的恒星都有着类似的形成-发展-死亡历程。在宇宙中形成和演化的过程中，恒星扮演着非常重要的角色，它们释放出了大量的物质和能量，影响着整个宇宙的结构和演化过程。
总之，宇宙中有热态物质和冷态物质两种。热态物质主要以能够发生核聚变反应放热的恒星与星系为主，冷态物质主要以不发核聚变放热的天体为主。宇宙中热态物质主要以恒星形式存在，而恒星往往成团成系分布，形成星系、星系团、超大星系团。宇宙中所有的星系团都被暗物质的桥梁连接，只有更高一级的星系团，根本就没有最大一级星系团。宇宙中所有的星系团都连接在一起，星系团或近或远、联系或强或弱，没有任何一个星系或星系团能够孤立于宇宙之中。星系由恒星构成，恒星都有着类似的形成-发展-死亡历程。恒星不断释放大量物质和能量，影响着整个宇宙的结构和演化过程。星系也都有类似的形成-发展-死亡历程，促进整个宇宙的物质循环。无论是恒星还是星系，都有着自身的循环再生机制，否则所有的恒星与星系都早已老去并死亡，这与事实严重不符。因此所有宇宙模型都必须解决恒星与星系的再生问题，否则就是一个错误的宇宙模型。
9.3.4星云恒星之间广阔无垠的空间也许是寂静的，但远不是真正的真空，而是存在着各种各样的物质。这些物质包括星际气体、尘埃和粒子流等，人们把它们叫作星际物质。星际气体主要由氢和氦两种元素构成，这跟恒星的成分类似。星际尘埃是一些很小的固态物质，成分包括碳合物、氧化物等。星际物质在宇宙空间的分布并不均匀。在引力作用下，某些地方的气体和尘埃可能相互吸引而密集起来，形成云雾状。人们形象地把它们叫作“星云”。
实际上，星云是氢气、氦气、尘埃和其他电离气体聚集的星际云。星云泛指任何天文上的扩散天体，通常也是恒星形成的区域。星云里的物质密度是很低的，若拿地球上的标准来衡量的话，有些地方是真空的。可是星云的体积十分庞大，往往可达几十光年。
同恒星相比，星云具有质量大、体积大、密度小的特点。一个普通星云的质量至少相当于上千个太阳，半径大约为10光年。
星云和恒星有着难以割舍的关系。一般认为恒星就是星云在运动过程中，在引力作用下，收缩、聚集、演化而成的。恒星也有自己的生命史，它们从诞生、成长到衰老，最终走向死亡。它们大小不同，色彩各异，演化的历程也不尽相同。恒星与生命的联系不仅表现于它提供了光和热。实际上构成行星和生命物质的重原子就是在某些恒星生命结束时发生的爆发过程中创造出来的。
总之，宇宙中冷态物质主要以不发生核聚变放热的星云形式存在，星云中往往存在大量不发生核聚变放热的恒星尸体与行星。致密天体在星云中不断坍缩汇集形成一颗颗恒星，星云不断转化为恒星。一定存在星云再生机制，否则宇宙中早已没有星云，这与事实不符。因此所有宇宙模型必须解决星云再生的问题，否则就是一个错误的宇宙模型。星云和星系之间存在着密切的关系，两者一定相互伴生，相互依存且不断互相转化。恒星在不同发展阶段抛出或喷流物质形成星云，星云物质在引力作用下坍缩成为恒星。星云再生必须首要解决氢元素的再生，如果不解决重元素再生氢元素问题，就无法从根本上解决星云再生问题。即星云再生的核心问题是重元素再生氢元素问题。
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