科學家解決了關於宇宙中消失物質的謎題

2020-12-06 騰訊網

簡介：「為什麼找不到宇宙80%以上的物質」，科學家認為可以通過高速射電噴發被重子散射的跡象發現這幽靈一般的80%質量所在。

在觀察廣袤的宇宙時，科學家被一個問題長久困擾——有一半理論模型中出現的物質消失了，這成為了有名的「重子丟失問題」。

這個問題像陰影一樣籠罩在我們關於宇宙的理論上，要麼是他們（指算理論物質的人）錯了，要麼重子物質極其善於躲藏。然而，一組科學家認為他們通過快速射電脈衝找到了消失的物質。

一項發表在Nature上的研究，依靠無線電波輻射的神秘爆炸來解決這個數十年久的宇宙謎題。

什麼是重子丟失問題？

在分析了「宇宙微波背景輻射」，或者說是大爆炸後遺存的輻射量之後，天文學家估計普通物質或重子物質，組成宇宙天體例如恆星、行星和我們的質子和重子佔宇宙總內含物的85%。重子物質不同於更難以捉摸的暗物質，它組成了宇宙超過80%的部分，但仍然探測不到。

然而，當觀測銀河系和附近的其他星系時，天文學家只發現不到預期的一半的重子量。

「我們從宇宙大爆炸的測量中知道在宇宙開始時有多少物質，但當我們看向如今的宇宙時，我們找不到理應存在物質的一半，這實在是很尷尬。」國際射電天文學研究中心柯廷大學副教授，這項新研究的主要作者Jean-Pierre Macquart在一份聲明中這樣說道。

重子丟失問題一直是科學家關於早期宇宙和行星形成模型拼圖中最關鍵的其中一塊。

科學家在過去20年左右間花費了相當多的時間尋找這種消失的物質，但找到它是個巨大的挑戰，因為這種物質不會發出任何光，而且宇宙還是如此的空闊。「找消失的物質就相當於一間普通大小的辦公室裡的找一兩個原子」，Macquart說道。

為了找到這種消失的物質，這項新研究背後的研究者們轉向另一個宇宙謎題：快速射電暴。

圖 1望遠鏡正在搜尋快速射電暴，當它們在宇宙中發光時。圖源ICRAR and CSIRO/Alex Cherney

射電爆發是持續數毫秒的密集無線電信號，與太陽80年釋放的能量相當。然而，即使他們在2017年他們發現了它們，天文學家仍然不清楚它們從哪裡產生。

但這對新研究沒有影響，這組科學家反而用快速射電暴當作「宇宙稱重站」。

使用大英國協科學和工業研究組織的澳大利亞平方公裡陣列探路者（ASKAP）射電望遠鏡，研究者們探測到了快速射電暴並判定了它們在其主星系的位置。據研究者所說，他們能將快速無線電爆發的位置精確到200米外一根人類頭髮寬度那麼準。

來自快速射電暴的輻射被消失的物質分散，就和陽光的顏色被稜鏡色散的方式一樣。

圖 2當遇到缺失物質時，快速射電暴被彌散，圖源ICRAR

這個團隊還確定了快速射電暴是什麼和它在宇宙中穿行時如何被分散的關係。最終，他們計算出了減慢快速射線爆發大概要遇到多少電子。

但是研究指出，雖然學者們認識到缺失物質就在那兒，但下一步還是要確定「它們」確切在哪裡。

研究摘要：宇宙中超過四分之三的重子處於高度擴散狀態，所以很難被檢測到，只有一小部分能在星系和星系團中直接觀測到。現今對宇宙的觀測已經使用吸收線光譜法來觀測不可見的重子。但是這些測量結果嚴重依賴不確定的校正，並且對宇宙的大部分星體的體積及其質量並不敏感。特別是類星體光譜不僅對原子態中存在的極少量氫，和星系附近密度較大的高度電離和富集氣體都很敏感。

觀察這些不可見重子的其他技術也有局限性：Sunyaev-Zel-dovich分析可以提供火焰結構內氣體的證據，而對X射線發射的研究對星系團附近的氣體最為敏感。現在我們提出一個測量宇宙中重子含量的方法，即利用局部快速射電暴的樣品的彌散，這項技術確定了沿著每一條視線的電子柱密度，並計算了每一個電離重子。我們用四個新的定位點，在主星系中測量到紅移分別為0.291、0.118、0.378和0.522，這就組成了一個足夠大的樣本，足以解釋視線和主星系環境中的色散變化，我們得出宇宙重子密度Ωb=0.051-0.025h+0.02170-1（95%置信度；h70=H0/（70 km s-1 Mpc-1），H0是哈勃常數）。這個獨立的測量結果與宇宙微波背景和大爆炸核合成得到的數值一致。

作者: inverse

FY: 趙丁丁

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