宇宙中存在的大多數(shù)物質(zhì)都是不可見(jiàn)的，只能通過(guò)其對(duì)引力的影響來(lái)探測(cè)。這種物質(zhì)被稱為暗物質(zhì)。相比之下，我們更熟悉的物質(zhì)，從原子到行星再到人類，僅占所有物質(zhì)的16%。這種物質(zhì)被稱為普通物質(zhì)或“重子”物質(zhì)，它們會(huì)發(fā)光，因此可以被觀測(cè)到。然而，它們中的大部分都以非常稀薄的量分散開(kāi)來(lái)，要么存在于環(huán)繞星系的暈中，要么漂浮在遙遠(yuǎn)的星系之間。

一項(xiàng)新的研究利用快速射電暴（FRB，來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的短暫而明亮的無(wú)線電信號(hào)）作為指引，精確定位了宇宙中“失蹤”的物質(zhì)。這幅藝術(shù)構(gòu)想圖描繪了明亮的無(wú)線電波脈沖（FRB）穿越星系間迷霧（即星系際介質(zhì)）的場(chǎng)景。紅色的長(zhǎng)波波長(zhǎng)與藍(lán)色的短波波長(zhǎng)相比速度減慢，這使得天文學(xué)家能夠“稱量”原本不可見(jiàn)的普通物質(zhì)。圖片來(lái)源：Melissa Weiss/CfA

由于這些物質(zhì)分布非常廣泛，科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直無(wú)法探測(cè)到其中大約一半的物質(zhì)。直到現(xiàn)在，這部分“缺失”的物質(zhì)仍然下落不明。

在《自然天文學(xué)》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究中，加州理工學(xué)院和哈佛與史密森天體物理中心（CfA）的研究人員報(bào)告稱，他們首次成功發(fā)現(xiàn)并測(cè)量了此前缺失的普通物質(zhì)。為此，他們利用了來(lái)自太空的無(wú)線電波爆發(fā)，即快速射電暴（FRB），這是一種短暫而強(qiáng)大的能量閃光，可以傳播數(shù)十億光年。

“FRB 可以穿透星系際介質(zhì)的迷霧，通過(guò)精確測(cè)量光速的減慢，我們可以測(cè)量這團(tuán)迷霧的重量，即使它太微弱而無(wú)法被看見(jiàn)，”哈佛大學(xué)助理教授、該研究的主要作者利亞姆·康納 (Liam Connor) 說(shuō)道，他在擔(dān)任加州理工學(xué)院研究助理教授期間，與加州理工學(xué)院天文學(xué)助理教授維克拉姆·拉維 (Vikram Ravi) 一起完成了大部分工作。

這張藝術(shù)家繪制的圖表描繪了研究中60個(gè)FRB中的一部分——FRB 20221219A、FRB 20231220A和FRB 20240123A——它們被用來(lái)追蹤氣體在星系間空間的旅程，并繪制宇宙網(wǎng)絡(luò)圖。圖片來(lái)源：Jack Madden/CfA， IllustrisTNG Simulations

該團(tuán)隊(duì)研究了69個(gè)不同的FRB，每個(gè)FRB的距離約為1174萬(wàn)光年到91億光年。研究中距離最遠(yuǎn)的一個(gè)FRB被稱為FRB 20230521B，是迄今為止記錄到的最遠(yuǎn)的FRB。盡管迄今為止已發(fā)現(xiàn)一千多個(gè)FRB，但只有大約100個(gè)能夠追溯到它們的起源星系。這個(gè)特定的子集，其位置和距離都是已知的，對(duì)于研究人員的測(cè)量至關(guān)重要。

在分析中使用的69個(gè)FRB中，有39個(gè)是由深層綜合陣列-110（DSA-110）識(shí)別的。DSA-110是一個(gè)由110臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組成的網(wǎng)絡(luò)，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助，位于加州理工學(xué)院位于加州畢曉普附近的歐文谷射電天文臺(tái)。DSA-110專為探測(cè)和精確定位FRB而建造。在發(fā)現(xiàn)這些爆發(fā)后，該團(tuán)隊(duì)使用了其他望遠(yuǎn)鏡，包括夏威夷的WM凱克天文臺(tái)和圣地亞哥附近的帕洛瑪天文臺(tái)，來(lái)測(cè)量爆發(fā)的起源距離。其余30個(gè)FRB來(lái)自世界其他地區(qū)的望遠(yuǎn)鏡，其中大多數(shù)是由澳大利亞平方公里陣列探路者號(hào)探測(cè)到的。

這些FRB本身就令人著迷，但在這項(xiàng)研究中，它們被用來(lái)探測(cè)失蹤的普通物質(zhì)；其他技術(shù)此前僅暗示了它的存在。當(dāng)射頻光從FRB傳播到地球時(shí)，它會(huì)擴(kuò)散成不同的波長(zhǎng)，就像棱鏡將陽(yáng)光變成彩虹一樣。這種擴(kuò)散或散射的程度取決于光路中物質(zhì)的數(shù)量。

“這就像我們看到所有重子的影子，以FRB作為背光，”拉維說(shuō)。“如果你看到一個(gè)人在你面前，你就能發(fā)現(xiàn)很多關(guān)于他們的信息。但如果你只看到他們的影子，你仍然知道他們?cè)谀抢铮约八麄兇蟾庞卸啻??！?/p>

這幅藝術(shù)家的構(gòu)想描繪了構(gòu)成星系際介質(zhì)（IGM）的溫暖稀薄氣體中的普通物質(zhì)——迄今為止，科學(xué)家們一直難以直接觀測(cè)到這種物質(zhì)。不同顏色的光在太空中傳播的速度不同。藝術(shù)家用藍(lán)色來(lái)突出宇宙網(wǎng)中密度較高的區(qū)域，并用紅色來(lái)表示空洞區(qū)域。 圖片來(lái)源：Jack Madden、IllustrisTNG、Ralf Konietzka、Liam Connor/CfA

研究結(jié)果顯示，宇宙中76%的正常物質(zhì)位于星系之間的空間，也稱為星系際介質(zhì)。約15%位于星系暈中，其余部分則集中在星系內(nèi)部——恒星或冷星系氣體中。這種分布與先進(jìn)的宇宙學(xué)模擬預(yù)測(cè)相符，但迄今為止尚未得到觀測(cè)證實(shí)。

這些發(fā)現(xiàn)將有助于研究人員更好地理解星系的生長(zhǎng)方式，并揭示快速射電暴如何幫助解決宇宙學(xué)問(wèn)題，包括確定被稱為中微子的亞原子粒子的典型質(zhì)量。（中微子的質(zhì)量取決于重子的聚集程度。）標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)模型預(yù)測(cè)中微子應(yīng)該沒(méi)有質(zhì)量，但觀測(cè)表明，這些粒子的質(zhì)量極其微小。因此，了解中微子的精確質(zhì)量可能會(huì)帶來(lái)超越粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理學(xué)。

拉維表示，這僅僅是快速射電暴在宇宙學(xué)應(yīng)用的開(kāi)始。未來(lái)，加州理工學(xué)院位于內(nèi)華達(dá)沙漠的DSA-2000射電望遠(yuǎn)鏡（目前正處于規(guī)劃階段）將以此為基礎(chǔ)開(kāi)展類似的研究。該射電陣列每年將發(fā)現(xiàn)并定位多達(dá)10000個(gè)快速射電暴，這將極大地增強(qiáng)其作為普通物質(zhì)探測(cè)器的作用，并加深我們對(duì)極端爆發(fā)的整體認(rèn)識(shí)。

編譯自/scitechdaily