失蹤物質(zhì)之謎

宇宙中的絕大多數(shù)物質(zhì)是“暗”的——它們完全不可見(jiàn)，僅能通過(guò)引力效應(yīng)被間接探測(cè)。這些所謂的暗物質(zhì)占宇宙總質(zhì)量的約85%。相比之下，普通物質(zhì)或重子物質(zhì)（主要由質(zhì)子構(gòu)成）僅占約15%。與暗物質(zhì)不同，普通物質(zhì)會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光，因此可以被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。

然而，當(dāng)天文學(xué)家把所能看到的或所能測(cè)量的一切都加起來(lái)的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)有一半的普通物質(zhì)“下落不明”。那么，失蹤的重子物質(zhì)到底去哪了？

現(xiàn)在，這一謎題終于迎來(lái)突破。多虧了一種極端神秘的天文現(xiàn)象——快速射電暴（FRB），讓天文學(xué)家首次對(duì)宇宙網(wǎng)中普通物質(zhì)的分布進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)超過(guò)四分之三的普通物質(zhì)實(shí)際上隱藏在星系之間的稀薄氣體中。

這一具有里程碑意義的研究結(jié)果已發(fā)表于近期的《自然·天文》雜志上。

照亮迷霧的探針

在過(guò)去的研究中，科學(xué)家就通過(guò)X射線發(fā)射和對(duì)遙遠(yuǎn)類星體進(jìn)行紫外線觀測(cè)，推測(cè)出這些失蹤的物質(zhì)可能以稀薄、溫?zé)岬臍怏w形式存在于星系之間。然而，大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡幾乎無(wú)法直接觀測(cè)到它們。因此科學(xué)家只能估算其大致數(shù)量和分布，但難以進(jìn)一步確認(rèn)。

FRB的出現(xiàn)，讓情況有了轉(zhuǎn)機(jī)。FRB是一種這種來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的明亮而短暫的射電脈沖。近年來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)FRB可以作為測(cè)量宇宙中的重子物質(zhì)總量的工具。

目前，天文學(xué)家探測(cè)到的FRB事件已經(jīng)超過(guò)1000個(gè)，但只有約100個(gè)被精確定位到具體宿主星系。新研究正是基于其中的69個(gè)已定位的FRB事件展開(kāi)的。

“稱重”隱形的氣體

在研究團(tuán)隊(duì)所分析的69個(gè)FRB事件中，最近的是距離地球1174萬(wàn)光年的M81星系中的FRB 20200120E，最遠(yuǎn)的是距離地球91億光年的FRB 20230521B（迄今記錄中最遙遠(yuǎn)的FRB）。

圖中顯示了其中3個(gè)FRB事件——FRB 20221219A、FRB 20231220A 和 FRB 20240123A。它們被用于追蹤氣體在星系間的傳播路徑，并幫助繪制出宇宙網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖譜。（圖/Jack Madden/CfA, IllustrisTNG Simulations）

當(dāng)這些射電信號(hào)穿越宇宙、一路向地球傳播時(shí)，它們會(huì)受到沿途物質(zhì)的影響：紅色的長(zhǎng)波長(zhǎng)光比藍(lán)色的短波長(zhǎng)光傳播得更慢。通過(guò)精確測(cè)量這種延遲，天文學(xué)家便可推斷出光路上穿越了多少物質(zhì)——即“稱重”這些原本不可見(jiàn)的氣體。

如該研究第一作者Liam Connor所言：“FRB就像宇宙中的手電筒，它們照亮了星系際介質(zhì)的迷霧。即使這些氣體過(guò)于微弱，我們也能通過(guò)信號(hào)的減速情況，準(zhǔn)確‘稱出’它們的質(zhì)量?！?/p>

這幅藝術(shù)構(gòu)想圖描繪了一個(gè)明亮的FRB穿越星系際介質(zhì)的過(guò)程。圖中較長(zhǎng)波長(zhǎng)的射電波用紅色表示，它們傳播速度比較短、偏藍(lán)的波長(zhǎng)更慢，這一特性使天文學(xué)家能夠“稱重”這些本身不可見(jiàn)的稀薄物質(zhì)。（圖/Melissa Weiss/CfA）

借助FRB這一宇宙中的“指路明燈”，研究人員發(fā)現(xiàn)：

• 約76%的重子物質(zhì)位于星系際介質(zhì)中；

• 約15%存在于星系暈中；

• 剩下的部分則集中在星系內(nèi)——在恒星中或冷星系氣體中。

這一分布與高精度宇宙學(xué)模擬的預(yù)測(cè)高度一致，但直到現(xiàn)在才得到觀測(cè)的證實(shí)。

“宇宙普查”的意義與未來(lái)

通過(guò)FRB，天文學(xué)家得以以前所未有的方式“看見(jiàn)”那些原本隱藏在宇宙網(wǎng)中的普通物質(zhì)。這不僅解決了“失蹤的重子”這一懸而未決的謎題，也為我們提供了理解宇宙結(jié)構(gòu)與星系形成的關(guān)鍵線索。

此外，這些發(fā)現(xiàn)也展示了FRB作為宇宙探針的巨大潛力。例如，它還可能幫助科學(xué)家確定中微子的質(zhì)量——這種極輕的亞原子粒子，其質(zhì)量大小或許能揭示超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象。

而這，僅僅是一個(gè)開(kāi)始。研究人員預(yù)計(jì)，隨著下一代射電望遠(yuǎn)鏡的啟用，未來(lái)每年將可探測(cè)并定位多達(dá)上萬(wàn)個(gè)FRB，極大提升我們對(duì)普通物質(zhì)的追蹤能力，也將幫助我們以前所未有的細(xì)節(jié)，繪制出宇宙網(wǎng)的真實(shí)面貌。

#參考來(lái)源：

https://www.cfa.harvard.edu/news/new-gps-intergalactic-medium-astronomers-have-found-home-address-universes-missing-matter

https://www.caltech.edu/about/news/missing-matter-in-universe-found

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Jack Madden, IllustrisTNG, Ralf Konietzka, Liam Connor/CfA