地球、太陽和銀河系有多重，全宇宙又有多重？

想知道宇宙有多重嗎？顯然，我們不成能找到一個足夠大的稱。問題的謎底，也許阿基米德早已給過我們提醒:“給我一個支點,我就能撬起地球。”

人類很難想象宇宙標準的概念

當然，用杠桿道理就想稱出宇宙的重量的可能性也僅僅存在于理論中。其實百科全書上已經記實了科學家測量的一些數字：太陽系中的八顆行星每顆的質量是10^24至10^27千克，而太陽達到了10^30千克。我們的星系質量約為10^42千克，整個可見宇宙的質量達到了10^53千克擺布。

人類很難想象如斯龐大的質量是什么概念。然而，物理學家和天文學家卻一向鍥而不舍地繼續完美這一看似無法權衡和絕對不成想象的測量。

2019年末，一組研究人員發布了對銀河系質量的一份新估算陳述，陳述估算了包羅暗物質在內的銀河系的總質量。

銀河系的質量半斤八兩于8900億個太陽

該陳述顯示，我們的銀河系的質量半斤八兩于8900億個太陽（此中大大都是暗物質，只有600億的太陽質量來自于我們能看到的所有恒星和氣體），最大或為1000億個太陽。這些數字可能看起來難以理解，但都可以追溯到一種質量引起的彼此感化力上。

但起首，我們需要弄清重量和質量的區別：質量和重量的素質上是兩個分歧的物理量，但它們又有緊密親密的聯系，它們是經由過程牛頓第二定律公式F＝ma成立起來的。按照官方界說，“重量”描述了對物體感化的引力，它會因為引力場的轉變而發生改變，可是質量并非如斯，質量不會因為引力場的改變而發生改變，質量是恒定不變的。

那您可能會繼續問，既然重力是因為引力，那質量是由什么引起的呢？若是我們把物質不竭地進行切分，切到不成再分的粒子，那么物質的質量應該就是這些粒子質量的調集。

愛因斯坦的質能方程

然而，當我們真的去這么做的時辰才發現，這些質量只占了宇宙整體質量的不到1%。那99%的質量是從何而來呢？進一步研究的過程中，我們就需要領會一下愛因斯坦狹義相對論的質能方程部門，E=mc2。

這個方程其實就告訴我們一個事：質能等價。也就是說，質量和能量其實是統一個工具的兩個物理量。所以必然的質量對應必然的能量，經由過程E=mc2可以進行換算。而物質99%的質量，來自于束厄局促夸克的強力所釋放出的能量對應的質量。

研究人員真正追求的是質量這種恒量，然而，經由過程天文不雅測“稱量”一個物體的質量，最終還要歸結為測量物體與其他星球之間的引力。

01 地球有多重？

天文學家面臨的第一個難題就是若何去對我們腳下的地球進行測量。早期的測驗考試是經由過程猜測地球的巨細和密度，從而計較其質量。到17宿世紀，對地球直徑及其體積的估量已經半斤八兩靠譜了，可是沒有人可以或許確定密度——無論這個星球是由水仍是巖石組成。然爾后面的科學研究證實，大師都錯了，因為這個星球現實上本家兒要由金屬構成。

卡文迪什和金屬球嘗試

為了計較出地球的密度，英國科學家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）在1798年測量了地球的整體重力。

艾薩克·牛頓（Isaac Newton）在17宿世紀曾證實，所有物體都對其他物體有引力，而那些質量更大的物體的引力更大。卡文迪什將小金屬球用線吊起來，在四周放置較重的球體，不雅察線的扭曲，以確定引力的強度。隨后經由過程比力測量出的引力強度和地球對小球的引力，他操縱牛頓方程計較出地球的密度大約為水密度的5.42倍。按照現代物理學，他和切確數字的誤差只有0.7%。

02 太陽和其他行星有多重？

質量的界說與兩個物體彼此引力的強度有關。是以，一旦牛頓和卡文迪什計較出了地球上重力的強度，從而得出了地球的質量，科學家們就擁有了對宇宙其他天體“稱重”所需的東西。

經由過程公轉周期可以計較出太陽系其他天體的質量

太陽對地球發生的引力使地球每365天繞太陽一周，是以就能計較出太陽的質量。同樣，經由過程把太陽視為和其他太陽系行星匹配的天體，研究人員可以按照行星的公轉周期計較其質量。同樣也可以經由過程這種方式得出月球的質量。

但對小行星質量的估量仍然是基于對密度和體積的合理猜測。

03 銀河系有多重？

正如可以經由過程不雅察地球環繞太陽運行的速度來揣度地球的質量一樣，研究人員也能經由過程星系的扭轉和運行計較出星系的質量。

恰是經由過程這些計較，科學家在20宿世紀70年月初次證實了暗物質的存在。希瑟·戈斯（Heather Goss）在Air and Space雜志中詮釋道，在我們的太陽系中，水星的活動速度比海王星快近九倍，因為它離太陽系絕大大都質量的來歷更近。研究人員估計，近似的模式應該呈現在其他星系中，即在星系中的遠軌道的恒星運行速度比近軌道的恒星要慢。

宇宙中還有良多我們無法不雅測的暗物質

這種關系在大大都星系中都當作立，但科學家們也發現了一些破例。當距離跨越必然限度時，天文學家發現螺旋星系邊緣的恒星以驚人的相似速度活動著。科學家們追蹤了恒星在螺旋星系邊緣的活動，并確定每個星系中必需有幾多物質才能讓這些恒星在它們的軌道上運行。然后將在每個星系中的所有已知的“正常”物質（氣體、塵埃和恒星）加起來，發現還遠遠達不到要求。

這意味著，還有第二種無形的質量來歷也在拉扯它們。

但不管如何，天文學家經由過程對恒星和星系的類比闡發來權衡我們的星系質量。比來的研究操縱了數據庫中近3000個被追蹤的天體，如環繞銀河系中間的恒星，星團和氣體云，計較出星系的質量。

04 宇宙到底有多重？

在宇宙的標準，您很難找到一對扭轉的參照物，是以并不克不及經由過程上述的方式進行計較。

宇宙的絕對巨細是未知的，而且宇宙是在不竭膨脹中，所以它的質量同樣是不得而知的。

可是，按照美國天文學家埃德溫·哈勃的發現，距離地球較遠的星系都在遠離地球，離得越遠，遠離的速度就越快（注：在物理學和天文學范疇，指物體的電磁輻射因為某種原因波長增添的現象，在可見光波段，表示為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離，即波長變長、頻率降低。20宿世紀初，哈勃發現，不雅測到的絕大大都星系的光譜線存在紅移現象。這是因為宇宙空間在膨脹，使天體發出的光波被拉長，譜線是以“變紅”，這稱為宇宙學紅移，并由此獲得哈勃定律），所以天文學家可以按照光在大爆炸和今天之間傳布距離的對比，計較出可不雅測宇宙的體積的直徑為930億光年。

WMAP測量的明暗區域

可是，我們不太可能去經由過程計較宇宙中所有天體的密度來測量宇宙的平均密度。此次，科學家們利用了威爾金森微波各標的目的異性探測器衛星（WMAP），測量了2001年至2010年宇宙中最早的光中的暖點和冷點。經由過程測量宇宙微波布景輻射圖譜中顯示為敞亮和暗淡的區域，可以猜測出宇宙的密度。因為物質對光施加引力，使其軌跡彎曲。當微波布景光子標的目的我們傳布時，它們的路徑被宇宙中的物質彎曲了。宇宙中物質越多，光路彎曲的越多，天空中呈現的振蕩區域就越大。

經由過程利用上述的方式，科學家計較出了宇宙的春秋和構成，包羅它的總體密度：大約為每立方米六個質子。

這個數字代表了宇宙的能量密度（因為物質和能量可以用愛因斯坦聞名的質能方程來轉換），所以它包羅可見物質、暗物質和驅動宇宙膨脹的未知暗能量。按照這個指標，宇宙中可見物質約占5%，暗物質約占27%，暗能量約占68%。