http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-04-13
宇宙到底包含多少个星系？
凤凰科技讯 北京时间2014年4月10日消息，美国太空网报道，在宇宙里存在着大量的星系，对它最具代表性的阐述便是哈勃极深场(XDF)——一组利用哈勃太空望远镜拍摄的图片集，展示了单张复合图片里包含上千个星系。
然而，估计整个宇宙里星系的数量并非易事。首先纯粹的数值是个问题——一旦总量达到10亿以上，数量的继续增加导致计数越来越麻烦。另一个问题便是我们仪器的限制，为了获得更好的视野，望远镜必须拥有更大的光圈(主要镜面或者镜头的直径)以避免地球空气产生的扭曲失真。
美国马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学研究所的天体物理学家马里奥·利维奥(Mario Livio)表示，哈勃太空望远镜是目前进行星系统计和估计的最好工具。这台于1990年发射的望远镜最初主镜面存在失真，随后在1993年的一次航天飞机访问后修复了。哈勃还经历了几次系统升级和服务访问，直到2009年5月的最终航天飞机任务。
2005年天文学家将哈勃望远镜指向看似空洞的大熊星座，并收集了长达10天的观测信息。结果显示在每一帧里大约存在3000个昏暗星系，昏暗程度相当于第30级，相比之下北极星大约为第2级。这张复合图片被称为哈勃深场，是一个人一次能够看到的最深最远的宇宙。
随着哈勃望远镜设备的不断升级，天文学家重复进行了这次实验两次。在2003年和2004年，科学家创造了哈勃超深场，这张100秒曝光的图片揭示了天炉星座单一的小点上有10000个星系。2012年，天文学家再次利用升级的设备观测了超深场的一小部分。即使在如此狭窄的视野里，科学家们仍然监测到5500个星系。科学家们将此取名为极深场。
总而言之，哈勃的观测揭示了宇宙大约存在1000亿个星系，但随着太空望远镜技术的发展，这一估计值可能增加到2000亿个。利维奥这样说道。
数星星
无论所使用的设备是什么，估计星系数量的方法是相同的。你利用望远镜选择一片天空并观测存在的星系数量，然后利用这片天空与整个宇宙的比例，从而确定整个宇宙的星系数量。“这一方法的前提假设是整个宇宙是均匀的。” 利维奥说道。“我们有理由相信事实的确如此，因为这是宇宙学原理。”
这一原理追溯到爱因斯坦的广义相对论。广义相对论的发现之一便是引力导致时空扭曲，基于此好几名科学家(包括爱因斯坦)试图理解引力将如何影响整个宇宙。
“最简单的假设便是如果你用足够差的视力观察整个宇宙，你会发现各个方向的各片天空几乎都是一样的。”美国宇航局这样表示。“这意味着，从非常大的范围内求平均值时，整个宇宙的物质是均匀和各向同性的，这被称为宇宙学原理。”
宇宙学原理的例子之一便是宇宙微波背景，这种辐射是宇宙大爆炸之后早期宇宙的残余物。利用例如美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)等设备，天文学家发现无论从哪里观测，宇宙微波背景几乎都是相同的。
星系的数量未来是否会发生变化?
对宇宙膨胀——主要是通过观测星系远离我们的速率——的测量显示，宇宙大约已经138.2亿年老。随着宇宙逐渐衰老和变大，星系将日渐后退，距离地球越来越远，这使得利用望远镜观测它们变得更加困难。
宇宙正在以超过光速的速率膨胀，这并不违反爱因斯坦的光速极限，因为膨胀的是宇宙本身，而非在宇宙里穿行的物体。同时这种膨胀速率在不断加速。这便是“可观测宇宙”——也即我们能够看到的宇宙——的概念发挥作用的地方。在1万亿年到2万亿年间，有很多星系将超出我们在地球上能够观测的范围。“我们将只能观测到那些发出的光能够到达地球的星系，但这并不意味着这是宇宙里所有的星系。这便是可观测宇宙的定义。”
星系也会随着时间的推移发生变化。银河系在未来将与邻近的仙女座星系发生碰撞并在40亿年后合并。在此之后本星系群的其它星系——距离我们最近的那些星系——将最终合并。未来星系的居民可以观测到的宇宙将更加昏暗。“那时候的文明可能无法发现宇宙具有1000亿个星系的证据，人类将无法观测到宇宙正在膨胀，甚至可能不知道曾经发生过宇宙大爆炸。”
其它宇宙呢?
随着早期宇宙的膨胀，其它理论认为不同的“口袋”可能逃离并形成不同的宇宙，它们可能以不同的速率膨胀，包含其他类型的物质，甚至拥有与我们完全不同的物理定律。利维奥指出其它宇宙可能也存在星系，只是我们无法确定的证实这一点。所以星系的总量可能比2000亿个还要大。
在我们自身的宇宙里，随着2018年詹姆斯韦伯太空望远镜的发射，天文学家将能够更好的确定星系总量。哈勃太空望远镜能够一窥宇宙大爆炸后4.5亿年形成的星系，而詹姆斯韦伯太空望远镜可以追溯到大爆炸后2亿年形成的星系。“即便如此，预计的星系总量可能并不会发生太大的变化，” 利维奥说道。他指出第一批星系不可能形成于更早时期。“因此2000亿个星系可能是我们可观测宇宙的最佳估计。”(编译/严炎刘星)
[中科网-凤凰网]
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宇宙间可能潜藏着从引力子到非粒子等的5种神秘粒子
原标题：超越希格斯粒子
——宇宙中可能潜伏着的5种神秘粒子
本报记者 刘 霞 综合外电
希格斯玻色子的发现证实了标准模型的正确性，标志着粒子物理学领域的一个重要里程碑。不过，科学家们对宇宙和世间万物的追寻和拷问远远没有结束，他们希望，大型强子对撞机（LHC）和未来的大型设备能够发现宇宙中潜藏着的一些新粒子，从而跳出标准模型的窠臼，让我们对宇宙有更多更深刻的了解。
美国趣味科学网站为我们列出了宇宙间可能潜藏的这5种神秘粒子，从引力子到非粒子等。
1.超胶子、W微子和超光子
如果“超对称性（supersymmetry）”理论是正确的，那么，可能有超过一打粒子“养在深闺人未识”，等着我们去发现，因为该理论认为，迄今为止科学家们已经发现的每个粒子都拥有一个与其对应的隐藏着的质量更大的超级“伙伴”粒子。
标准模型认为，存在着两类基本粒子：玻色子和费米子。玻色子是粒子间相互作用力的使者，传递这种相互作用力，包括胶子和引力子等；而费米子是组成物质的基本载体，包括夸克子、电子和“幽灵般”的中微子等。
根据超对称性理论，每种费米子都同一种玻色子配对，反之亦然。因此，胶子（一类玻色子）会有超胶子（gluinos，一种费米子）、W粒子会有超W粒子（Winos）、光子会有超光子（photinos）分别来与之配对；依此类推，希格斯粒子会有一个名为“超希格斯粒子（Higgsino）”的粒子来与之配对。
理论总是很美好，然而，不幸的是，对超对称性理论的拥趸来说，迄今为止，LHC还没有发现任何上述神秘粒子的“蛛丝马迹”。美国哥伦比亚大学的数学物理学家彼得·沃特就曾经指出，这或许表明，这些粒子很可能只是传说，或许根本就不存在，超对称性理论可能存在错误。
有例为证。2012年，物理学家们发现了一种极为罕见的粒子：由底夸克（用符号B表示）和奇异夸克（用符号S表示）组成的B—S介子，这种粒子由大质量底夸克和一个奇异夸克在强相互作用下束缚在一起构成，寿命极短。在地球上，很难采用常规方法找到这一粒子，但当两个质子以接近光速发生碰撞后的一瞬间，这一粒子可能会出现，然后发生衰变，烟消云散。科学家们观察到它们的几率与标准模型吻合，这意味着，任何超对称粒子如果存在的话，其将不得不比科学家们最初希望的要重得多。
超对称性理论的另一个缺陷在于，大约存在着105个“自由参数”，这意味着物理学家们并没有很好地限定新发现粒子的尺寸和能量范围，所以，他们对于在何处以及如何找到这些粒子自然也是一头雾水。
2.超中微子
超对称性理论也认为，名为“超中微子(neutralinos)”的不带电的特殊粒子可以解释占据宇宙大部分物质密度的暗物质。暗物质无法直接观测得到，只能通过其对物质的引力拉动作用来探测。美国印第安纳大学的物理学家波林·盖格诺表示，在超对称性理论中，除了超胶子之外，其他携带力的粒子混合在一起可能会制造出超中微子。
科学家们表示，超中微子可能在早期炙热的宇宙中形成，而且，为我们留下了足够多的线索来解释暗物质的存在。
伽马射线和中微子望远镜将在宇宙间充满了暗物质的地方（诸如太阳或星系核心）搜寻这种神秘粒子的“芳踪”。实际上，2013年，物理学家们做出了一个重大的发现：国际空间站的一个粒子收集器或许已经发现了暗物质的证据，但科学家们没有公布细节。
3.引力子
引力子和引力波的物理特性让晚年时期的爱因斯坦困惑不已，不仅如此，它也成为很多物理学家们心头的“一根刺”。爱因斯坦和物理学家们一直在孜孜不倦地为自然界中的物质和力创造一种“大一统理论”，其既能揭示微观世界中力的作用规律；也能阐释宏观世界中力的活动定律。不过，这种“统一梦”一直没有照进现实。爱因斯坦的相对论很好地解释了引力，却难以解释量子粒子的行为；而粒子物理学很好地揭示了粒子的行为，却无法有效地对引力作出解释。
因此，有些物理学家提出用名为“引力子（gravitons）”的量子引力粒子来解决这个问题。引力子很小，没有质量，主要作用是释放出引力波。从理论上而言，每个引力子会对宇宙中的物质施加拉力，但因为这种粒子与物质间的相互作用力非常微弱，所以，使用目前的技术不可能直接探测到这种隐藏粒子的踪迹，不过，使用诸如美国加州理工学院和麻省理工学院联合进行的激光干涉引力波观测站（LIGO）这样的工具能间接揭示引力子的存在。
4.非粒子
2013年，科学家们发现了一种奇异粒子的蛛丝马迹，他们将这种“翩若惊鸿，婉若游龙”的诡异粒子称为“非粒子（unparticle）”。这种粒子能携带自然界中除了万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力之外的“第五种力”，也就是远距离范围内两个自旋粒子之间的相互作用。在小尺度上，自旋粒子之间的相互作用非常普遍，正是这种相互作用让磁铁和金属内电子的自旋方向成一条直线。然而，自旋粒子之间更长距离的相互作用则非常难以捕捉。如果这种力确实存在，它将仅为电子和中子之间相互作用的百万分之一。
物理学家们正在深入地幔内部搜索这种非粒子，在地幔深处，数吨电子紧密地簇拥在一起，与地球的磁场成一条直线，这种现象出现任何微小的扰动都可能揭示非粒子的迹象。
5.“变色龙”粒子
物理学家们也提出一种更飘忽不定的粒子：变色龙粒子，其质量可能会不断发生变化。如果这种粒子确实存在，那么，它或许会成为打开暗物质和暗能量之迷宫的“钥匙”。
2004年，物理学家们描述了一种假象中的力，其能随周围环境而发生变化：在那些粒子紧密簇拥在一起的地方，比如地球或太阳上，这种变色龙粒子仅仅施加弱作用力；而在那些粒子比较松散的地方，其会施加强作用力。这或许意味着，在早期宇宙物质分布致密的环境中，它以微弱的形象出现；后来随着时间的推移，星系从宇宙中心慢慢向外扩展，其变得越来越强大。
为了找到这种“来无影、去无踪”的力，物理学家们需要发现变色龙粒子存在的证据。迄今为止，这种搜寻工作仍然一无所获，但科学家们并不死心，相关实验仍在有条不紊地进行着。
[中科网-科技日报]