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，僅能通過引力效應被間接探測。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)會發(fā)出不同波長的光，因此可以被望遠鏡觀測到。

然而，當天文學家把所能看到的或所能測量的一切都加起來的時候，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），讓天文學家首次對宇宙網(wǎng)中普通物質(zhì)的分布進行了詳細測量。他們發(fā)現(xiàn)超過四分之三的普通物質(zhì)實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

在過去的研究中，科學家就通過X射線發(fā)射和對遙遠類星體進行紫外線觀測，推測出這些失蹤的物質(zhì)可能以稀薄、溫熱的氣體形式存在于星系之間。然而，大多數(shù)望遠鏡幾乎無法直接觀測到它們。因此科學家只能估算其大致數(shù)量和分布，但難以進一步確認。

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

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

“稱重”隱形的氣體

在研究團隊所分析的69個FRB事件中，最近的是距離地球1174萬光年的M81星系中的FRB 20200120E，最遠的是距離地球91億光年的FRB 20230521B（迄今記錄中最遙遠的FRB）。

圖中顯示了其中3個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）

當這些射電信號穿越宇宙、一路向地球傳播時，它們會受到沿途物質(zhì)的影響：紅色的長波長光比藍色的短波長光傳播得更慢。通過精確測量這種延遲，天文學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。即使這些氣體過于微弱，我們也能通過信號的減速情況，準確‘稱出’它們的質(zhì)量。”

這幅藝術(shù)構(gòu)想圖描繪了一個明亮的FRB穿越星系際介質(zhì)的過程。圖中較長波長的射電波用紅色表示，它們傳播速度比較短、偏藍的波長更慢，這一特性使天文學家能夠“稱重”這些本身不可見的稀薄物質(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模擬的預測高度一致，但直到現(xiàn)在才得到觀測的證實。

“宇宙普查”的意義與未來

通過FRB，天文學家得以以前所未有的方式“看見”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準模型的新物理現(xiàn)象。

而這，僅僅是一個開始。研究人員預計，隨著下一代射電望遠鏡的啟用，未來每年將可探測并定位多達上萬個FRB，極大提升我們對普通物質(zhì)的追蹤能力，也將幫助我們以前所未有的細節(jié)，繪制出宇宙網(wǎng)的真實面貌。

#參考來源：

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

#圖片來源：

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