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
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布,本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.