宇宙中一半的普通物質消失了——現在可能已經被找到了

2020-08-10 牧夫天文

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翻譯：汪榮鑫

校對：牧夫天文校對組

編排：胡暖暖

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文連結：https://www.sciencenews.org/article/universe-missing-matter-found-fast-radio-bursts

長期尋找的物質似乎一直隱藏在星系之間的空隙中。

圖中是澳大利亞平方公裡陣列探路者（Australian Square Kilometre Array Pathfinder），近期這一天文臺對其他星系發出的射電波閃光進行了觀測，發現宇宙中所有的「失蹤物質」都潛伏在星系際空間中。Credit: CSIRO/Alex Cherney

終於，宇宙中所有的普通物質似乎都被我們發現並解釋了。

天文學家們對宇宙中的物質進行了一次新的普查，他們研究了來自其他星系的射電波閃光——也就是快速射電暴（fast radio bursts, FRB）——是如何在到達地球的途中被粒子扭曲的。這項分析的結果於5月27日在《自然》雜誌線上版中報導：宇宙中大約一半的，幾十年來一直未被探測到的普通物質正潛伏在星系際空間。

物質失蹤的未解之謎已經困擾了宇宙學家大約20年。這種難以捉摸的物質並不是構成宇宙中大部分物質的那種不可見的、未經確認的暗物質。它就是日常生活中看得見摸得著的普通物質，由被稱為重子的普通粒子組成，比如質子和中子。

對宇宙大爆炸早期發出的光的觀測表明，重子應該佔到宇宙中所有質量和能量的5%左右。但是在現代宇宙中，所有天文學家可以輕易觀測到的物質，比如星系中的恆星和氣體，加起來只有預計量的一半。

科學家們一直懷疑這些失蹤的物質隱藏在星系之間，沿著星系團之間的氣體絲狀物隱藏在一個巨大的宇宙網中。但是我們還不能很好地探測到它，因為它實際上非常彌散，而且並不明亮。

星系間的物質可以通過吸收類星體（一類遙遠而明亮的天體）發出的光而被探測到。然而探測星系際空間中的重子只有一種方法，就是依靠由中子星或黑洞周圍的高能活動產生的射電波爆發。

儘管沒有人知道快速射電暴發生的原因是什麼，但是它們可以幫助科學家有效探測重子。爆發的高頻高能射電波穿過星系間物質的速度比低頻波要快。射電波通過的星系間物質越多，其低頻波就越落後，最終達到地球時就能被觀測儀器識別到。

加州大學聖克魯斯分校的天體物理學家J·澤維爾·普羅查斯卡（J. Xavier Prochaska）和他的同事研究了來自5個星系的5個快速射電暴，這些爆發都被澳大利亞平方公裡陣列探路者天文臺探測並記錄。研究人員比較了每一個爆發不同頻率的射電波到達時間，得到該爆發在穿越星系際空間的旅程中遇到的重子數量。然後，利用射電源的主星系和銀河系之間的距離，普羅查斯卡的團隊可以計算出這條路徑的重子密度。

銀河系和其他五個星系之間的物質平均密度約為每立方米一個重子。普羅查斯卡說，銀河系的物質密度大約是那個密度的100萬倍，換句話說，星系間的物質是「一種非常稀薄的介質」。但是所有這些稀薄的物質加在一起，就足以解釋宇宙中消失的普通物質了。

現在，所有的研究人員都可以得出結論，失而復得的物質存在於星系之間。通過數以千計的 FRB 觀測，天文學家們可以開始梳理出其他方向上重子密度的細微變化，從而繪製出宇宙網。

責任編輯：郭皓存

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