宇宙學中最迫切的問題之一是：「宇宙中存在多少物質？」一個國際科學家小組現在第二次成功地測量出了物質總量。該團隊在《天文物理學雜誌》上報告說，他們確定物質佔宇宙中物質和能量總量的31%，其餘部分由暗能量組成。

第一作者、日本千葉大學埃及國家天文和地球物理研究所研究員穆罕默德-阿卜杜拉博士解釋：”宇宙學家認為，總物質中只有約20%是由常規物質或’重子’物質構成的，其中包括恆星、星系、原子和生命。”大約80% 是由暗物質構成的，暗物質的神秘性質尚不清楚，但可能由一些尚未發現的亞原子粒子組成。(見圖）。”

“研究小組使用了一種行之有效的技術來確定宇宙中的物質總量，即把觀測到的單位體積內星系團的數量和質量與數值模擬的預測結果進行比較，”合著者、阿卜杜拉的前研究生導師、加州大學默塞德分校物理學教授兼研究、創新和經濟發展副校長吉莉安-威爾遜（Gillian Wilson）說。”目前觀測到的星團數量，也就是所謂的’星團豐度’，對宇宙學條件，尤其是物質總量非常敏感”。

圖1. 就像”金髮女孩”一樣，研究小組將測量到的星系團數量與數值模擬的預測進行比較，以確定哪個答案”恰到好處”。資料來源：穆罕默德-阿卜杜拉（埃及國家天文和地球物理研究所/日本千葉大學）

維吉尼亞大學的阿納托利-克萊平（Anatoly Klypin）說：「宇宙中總物質的比例越高，就會形成越多的星團。但要精確測量任何星系團的質量都很困難，因為大部分物質都是暗物質，我們無法用望遠鏡直接看見。”

為了克服這個困難，研究小組不得不使用一種間接的星系團質量追蹤器。他們所依賴的事實是，質量較大的星團比質量較小的星團包含更多的星系（質量富集度關係：MRR）。由於星係由發光的恆星組成，因此可以利用每個星團中星系的數量來間接確定其總質量。透過測量史隆數位巡天觀測樣本中每個星團的星系數量，研究小組得以估算出每個星團的總質量。然後，他們將觀測到的單位體積星系團的數量和質量與數值模擬的預測值進行了比較。

觀測結果與模擬結果的最佳擬合值是宇宙由31%的總物質組成，此數值與普朗克衛星的宇宙微波背景（CMB）觀測結果非常吻合。值得注意的是，CMB 是一種完全獨立的技術。

驗證與技術

千葉大學的石山智明（Tomoaki Ishiyama）說：”我們首次利用MRR 成功地測量了物質密度，這與普朗克團隊利用CMB 方法獲得的結果非常吻合。這項工作進一步證明，星團豐度是約束宇宙學參數的一項有競爭力的技術，也是對CMB 各向異性、重子聲振盪、Ia 型超新星或引力透鏡等非星團技術的補充。”

研究小組認為，他們的成果是首次成功利用光譜學（將輻射分離成各個波段或顏色的光譜的技術）來精確地確定每個星團的距離，以及與星團有引力約束的真正成員星系，而不是視線沿線的背景或前景幹擾者。先前嘗試使用MRR 技術的研究則依賴粗糙得多和精確度較低的成像技術，例如使用在某些波長下拍攝的天空照片，來確定每個星團和附近真正成員星系的距離。

結論與未來應用

這篇發表在9 月13 日《天文物理學報》上的論文不僅證明了MRR 技術是確定宇宙學參數的強大工具，而且還解釋瞭如何將它應用於大型、寬視野和深視場成像以及光譜星系巡天（如Subaru望遠鏡、暗能量巡天、暗能量光譜儀、歐幾里德望遠鏡、eROSITA 望遠鏡和詹姆斯-韋伯太空望遠鏡等進行的巡天）所獲得的新資料集。