宇宙中最后一种普遍物质已被发现!


  

  几十年来,天文学家一直无法找到宇宙中所有的原子物质;最近的一系列论文揭示出其藏身之处。20世纪90年代中期,研究人员决定开始对宇宙中所有“普通”物质——恒星、行星和气体,以及任何隐藏的原子构成物质进行盘点,而暗物质并非是完全独立的谜题。根据对大爆炸时期物质是如何产生的理论研究,研究人员对宇宙中应该有多少物质有了初步了解。对宇宙微波背景(CMB)的研究将证实了这些预想。

  

  对星系间炽热气体的计算机模拟系统暗示了宇宙中缺失物质的位置。图片:Princeton University/Renyue Cen

  博科园-科学科普:研究人员将所有可见恒星、气体云、行星、以及所谓的重子质量相加,发现它们只占了应占比例的10%,研究人员认为普通物质只占宇宙中所有物质的15%。在三篇论文中,天文学家们已经确定了宇宙中所有普通物质的最后一部分。尽管研究花了很长时间才识别出所有星系,但研究人员还是在预测区域发现了它:星系之间空裂隙中广泛的炙热气体卷须中(更确切地说是温热的星系间介质)。

  1、一百万倍信号

  1998年进行的计算机模拟显示,星系之间可能广泛存在不可见气体。普林斯顿大学宇宙学家耶利米说:我们想看看宇宙中所有的气体都发生了什么。研究人员对宇宙中的气体运动进行了模拟,这些气体运动被重力、光线、超新星爆炸以及所有在太空中移动物质的力量所作用,得出的结论是:这种气体应该积聚在待被检测到的“细丝”中。利物浦约翰摩尔大学天体物理学家伊恩·麦卡锡说:在宇宙模拟的早期,许多重子会以一种热的弥散形式存在,而不是直接存在于星系中。天文学家希望这些热重子符合宇宙上层结构——由不可见的暗物质构成,跨越了星系之间巨大的空隙。

  

  (A)排列和叠加100万对星系的图像。(B)天文学家绘制了实际星系内所有气体的地图。(C)通过初始图像减去星系,研究人员发现了隐藏在星系间空间的丝状气体。图片:arXiv:1709.10378v2,adapted by Quanta Magazine

  暗物质的引力将气体拉近,并将气体加热到几百万度。不幸的是,高温弥漫气体难以被发现。许多研究小组都在寻找这种气体,在寻找过程中还发现了一些缺失物质。到2014年,天文学家已经发现了缺失物质中的70%。仍有30%下落不明。为了发现隐藏的细丝,两个独立的研究小组在宇宙微波背景辐射中精确寻找踪迹。早期宇宙中的光线穿过宇宙时会受到穿过区域的影响。热电离气体中的电子应该与来自微波背景辐射的光子发生了相互作用,从而向光子提供额外的能量。另外,宇宙微波背景辐射频谱应该会失真。

  不幸的是,宇宙微波背景辐射(由普朗克卫星提供)没有出现这种问题。这也就证明要么是气体真实不存在,要么是其影响太细微而无法显现。但这两组研究人员决心要将它公之于众。通过对宇宙越来越详细的计算机模拟,知道气体应该像蜘蛛网一样在巨大星系之间伸展。但普朗克卫星无法看到任何一组星系之间的气体。因此,研究人员不得不用将微弱信号加强一百万倍的方法。科学家们首先查阅了已知星系的名单,以找到合适的星系对

  

  法布里齐奥·尼科斯特罗利用类星体发出的光来追踪失踪气体。图片:Courtesy ofFabrizio Nicastro

  质量足够大,两者之间的距离适宜,两者之间存在一个相对较厚的气体蛛网。而后天体物理学家观测普朗克数据,确定了每一对星系的位置,将那个区域单独拿出来研究。有超过一百万个研究区域,爱丁堡大学博士生安娜·德·格拉夫将每一区域旋转、放大、缩小,这样所有的星系对看起来都处于同一位置。法国奥赛太空天体物理研究所田村秀树领导的一个小组将26万对星系结合在一起。弥漫着炽热气体的细丝开始在宇宙中变得清晰可见。

  然而这种技术尚有缺陷,科罗拉多大学博尔德分校天文学家迈克尔·舒尔说:对结果进行解释,就需要对高温气体的温度和空间分布做出假设。由于信号叠加,人们总是担心信号微弱,这也是大量数据结合的必然结果,正如有时在民意调查中发现的那样,当一个人在分布中有异常值或偏差,从而就会扭曲统计数据,从而可能会得到错误的结果。在一定程度上,宇宙学界并没有考虑这个问题的解决方案。但现在需要的一种独立测量热气体的方法。

  2、灯塔效应

  

  

  当前两组研究人员将信号叠加在一起时,第三组研究人员研究出了不同的方法。他们观测到一颗遥远的类星体——数十亿光年外的一个明亮的灯塔,并用它来探测光线穿过的看似空无一物的星系间空间中的气体。通常当天文学家采取这一方法时,他们都试图寻找被氢原子吸收的光,因为氢原子是宇宙中最丰富的元素。不幸的是,这个办法难以进行下去。高温将它电离了氢,把它的单个电子带走了。其结果形成了不吸收任何光的自由质子和电子等离子体。

  所以天文学家决定寻找另一种元素:氧。虽然宇宙中的氧没有氢多,但原子氧有8个电子,而氢只有1个。瞬间产生的热量不会将氧的电子全部带走。罗马国家天体物理研究所的Fabrizio Nicastro领导的研究小组追踪了被氧原子吸收的光,发现氧原子只失去了两个电子。他们还发现了两股炽热星系间气体提供了一个更大的氢和氦储层的示踪物。研究人员将地球和这个特殊类星体之间发现的气体量外推到整个宇宙。结果表明找到了缺失部分的30%。

  

  这个数字也与宇宙微波背景辐射研究的果非常吻合。德克萨斯大学奥斯汀分校天文学家迈克·博伊兰-科尔钦说:研究小组正在研究同一个谜题的不同部分,却得出了相同的答案,考虑到他们的方法不同,但这的确让人放心。观察到的类星体是我们能找到最好最亮的灯塔。其他的类星体将会更微弱,所需观察时间也会更长。但就目前而言,结论是明确的——失踪的重子已经被发现。

  博科园-科学科普|参考期刊文献 :《Astrophysics》,《arXiv》|文:Katia MoskvitchQuanta magazine/Quanta Newsletter|DOI: 10.1038/s41586-018-0204-1

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