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首先,讓我們面對一個殘酷的現實:我們對宇宙幾乎一無所知。當然,我們已經確定了一些事情:我們知道暗物質和暗能量的存在,我們知道宇宙大爆炸。我們知道星系是如何在數十億年中形成的。最痛苦的是,我們知道「正常」物質只佔宇宙質量和能量的5%。更糟的是:我們真的不知道正常物質的一半去哪裡了,難道它被有意隱藏了嗎?
宇宙普查
我們將把構成熟悉的、日常的的東西稱為「正常」物質。天文學家稱這種物質為「重子」物質,因為它主要由重子組成:質子和中子等等。所以,儘管重子物質在這場偉大的遊戲中只是一個小角色,但我們對它最熟悉,所以我們稱之為「正常」物質。
事實上,我們在計算所有重子時遇到了困難,我們知道宇宙是由什麼組成的,但是我們找不到它。但是我們有兩個大的證據可以幫助我們計算出所有的重子,即使它們在我們的望遠鏡中不發光。
首先,這對每個人來說都是驚人的,當宇宙只有十幾分鐘的歷史時,我們對它的物理學有了相當堅定的理解。那時,宇宙又小又熱,密度足以讓第一批質子和中子從原始湯中凝結而成。既然我們對核物理有足夠的了解,足以製造核電站和原子彈,我們就可以做出預測。
這些預測告訴我們宇宙中應該存在多少重子,以及輕元素(如氦和鋰)與氫的比率。由於我們觀察到的比率與我們的計算預測的相同,我們有很大的信心,這些計算足夠好,可以限制宇宙的重子數量。
第二,我們有宇宙微波背景,這是宇宙只有38萬年歷史時的壯麗光源。光是在宇宙從等離子體中冷卻下來時釋放出來的。我們對等離子體物理有足夠的了解,可以將我們看到的光和我們預測的光進行比較,這就告訴了我們已知存在於宇宙中的重子的總數。
在這兩種情況下,我們可以知道重子物質佔宇宙所有質量和能量的5%。
尋找重子
在地球上,我們有一個相當直接的時間計算宇宙中所有的恆星和星系,因為它們相對來說比較明亮,而觀測它們正是我們製造望遠鏡的目的。除此之外,我們還有一些計算重子的技巧。我們可以看到穿過數十億光年的散射氣體的光。氣體本身太薄了,看不見,但它會吸收一些背景光,使我們能夠估計出在巨大的氣體雲中懸掛著多少重子。再進一步,我們可以通過背景光的微妙彎曲來尋找昏暗、緊湊的物體:像黑洞或流氓行星這樣的東西,它們也是由重子組成的,只是不太亮。
儘管有了這麼多觀測手段,但是我們發現的重子物質只是理論值的一半,這是一個有點尷尬的情況。解決這個宇宙困境的一個可能的辦法是重子在某處,沒有像恆星那樣發光,沒有足夠的密度來形成引力透鏡,也沒有足夠的密度來吸收背景光。丟失的重子可能只是四處遊蕩,與任何物體都沒有真正的聯繫。
科學家用了一個巧妙的比喻,大約有一半的重子不願住在燈光明媚的大城市,而寧願住在鄉村裡。