对于可观测宇宙的总质量,大概的数量级是10^53千克,这只包含普通物质,在我们宇宙中,暗能量占了68.3%,暗物质占了26.8%,普通物质只有4.9%。
我们宇宙非常广袤,并且有着138亿年的历史,由于宇宙年龄有限,使得较为遥远的光线还没有足够时间到达地球,目前我们能观测到的宇宙范围称之为可观测宇宙,直径大约930亿光年,而宇宙的实际大小无人知晓。
关于可观测宇宙(以下均简称宇宙)的大小,可以利用万有引力定律,以及相应的宇宙学原理进行粗略估计,计算是一步一步进行的。
太阳质量
牛顿建立万有引力定律后,理论上我们就可以根据万有引力定律推导出地球和太阳的质量,但是万有引力定律依赖于一个常数——万有引力常数G。
英国科学家卡文迪许巧妙地利用扭秤实验得到了地球的密度,从而计算出地球的质量,卡文迪许也被称作“第一个称量地球的人”,使用卡文迪许的数据就可以得到万有引力常数。有了万有引力常数后,我们利用向心力和万有引力定律,就可以轻松计算出太阳的质量,大约是2*10^30kg。
在我们的太阳系中,太阳质量占了整个太阳系质量的99.86%,至于八大行星、彗星、矮行星、小行星、星际气体等等的质量,相对于太阳来说可以忽略不计。
银河系质量
银河系主要由数以亿计的恒星组成,当然还有一些黑洞、中子星、白矮星等等,太阳的质量在银河系中,属于中等偏下的恒星(黄矮星)。
宇宙中的恒星分布呈金字塔型,质量越小的恒星数量越多:
恒星的最小质量是0.08倍太阳质量,最大质量大约是300倍太阳质量;最新的数据表明,银河系中的恒星大约有2000亿颗,加上其他天体的质量,以此估算银河系质量大约是4*10*41kg。
宇宙质量
在现代宇宙学中,有一个各向同性原理,说无论我们朝着宇宙的哪个方向进行观测,宇宙中星系的分布都是相似的,也就是说星系在宇宙大尺度下是均匀分布的。
我们所处的银河系,在宇宙中属于中等质量星系,银河系所处的本星系群有50多个星系,占据着直径1000万光年的区域,宇宙中普通物质的质量,主要来源于星系,所以只要我们知道了宇宙中的星系数量,就可以得到宇宙质量。
而最新的天文观测表明,在我们可观测宇宙中,可能有超过1万亿个星系,以此进行估算的话,宇宙质量大概是:
4*10*41*10^12=4*10^53kg;
也就是说宇宙质量的数量级,大约是10^53kg,宇宙中的普通物质主要由氢元素和氦元素组成,而前者就占了大约75%,单个氢原子质量为1.674*10^-27kg,以此进行估算的话,宇宙中的原子数目大约是10^80个。