宇宙的臨界密度10^(-26) kg/m^3是怎麼計算出來的?


說到宇宙密度,現在的宇宙學觀測是可以確定的非常準確的,在今天,宇宙的質能密度是
(2.77x10^11 h^2) Msun/Mpc^3, 括弧後面單位的意思是太陽質量每兆秒差距立方。秒差距
是天文常用單位,大約等於3.26光年。括弧里的h是哈勃常數除以100以後的值,大約等於0.7。

這個密度是什麼意思呢?如果這個密度按完全是由物質組成的,換算成我們熟悉的尺度,大概是
每立方米裡面有幾個氫原子。所以宇宙密度整體來說是非常低的。大多數地方接近真空。

那麼這個數字是怎麼得到的?簡單說,是通過測量宇宙的幾何和膨脹歷史。
廣義相對論告訴我們,宇宙的膨脹歷史和幾何由宇宙中包含的質能決定。
宇宙的質能密度由DM(暗物質)+DE(暗能量)+BM(重子物質)+ R(輻射)構成
起主導作用的是前兩部分。以宇宙的幾何為例,如果宇宙是平坦的,那麼這些物質的密度
總和應該等於臨界密度:
m 
ho_{
m crit}=3H^2/8pi G
其中H是哈勃常數,G是引力常數。換句話說宇宙的平坦程度,可以用來推斷宇宙中的質能密度。

最新的Planck衛星微波背景輻射+重子聲速震蕩+引力透鏡觀測結合已經將宇宙的幾何
限制的非常緊,宇宙的不平坦大約是0.001+-0.006(http://arxiv.org/pdf/1303.5076v3.pdf),
後面這個+-0.006的意思是觀測的不
確定性。這個數字意思是說,從當前的觀測來看,宇宙在千分之6的精度上依然是平坦的。
因此,宇宙的密度非常接近臨界密度,也就是(2.77x10^11 h^2) Msun/Mpc^3。

以上。


什麼是宇宙?


經過推導,認為宇宙臨界密度的表達式為3H02/8πG,計算可得,H0是哈勃常數


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