科学家解决了宇宙物质失踪之谜，它们就在星际之间，只是太稀薄

勤奋、技术进步和一点运气共同解决了20年的宇宙之谜。图片：CSIRO/Alex Cherney，CC BY-ND

科学家对宇宙中有多少物质做出了预测。他们估计约有5％（一说4.7%）应该是常规物质，其余则是暗物质和暗能量的混合物。宇宙中可以探测到的所有物质都是重子粒子组成的。恒星、行星、星云、等离子、甚至黑洞都由重子物质组成。但是，当科学家计算出所有能够观测到的物质总量时，只有预测值的一半。

重子是一个现代粒子物理学名词，在标准模型理论中，“重子”这一名词是指由三个夸克组成的复合粒子。因为重子属于复合粒子，所以“不是”基本粒子。最常见的重子是组成普通物质原子核的质子和中子。

这就是所谓的“缺失的重子问题”，20多年来，宇宙学家一直在努力寻找，但都没有成功。

直到今年早些时候，科学家运用全新的望远镜技术，终于找到了缺失的物质。

缺失的重子

1997年，加州大学圣地亚哥分校的三位科学家使用重氢核（具有额外中子的氢）与正常氢的比率来估计，重子应占宇宙质能总量的的5％左右。

大爆炸的残余辐射 - 宇宙微波背景辐射，为科学家提供了精确测量宇宙中重子质量的方法。图片：NASA

紧接着，其他科学家报告说，通过测量恒星、星系以及它们周围气体，当前宇宙中重子的总质量仅占预测的5％的一半。

这引发了缺失的重子问题，有两种可能的解释：要么计算有误物质本不存在，要么物质就藏在某个地方。

科学家通过观察宇宙微波背景辐射中微小的温度波动，证实了重子构成宇宙的5％的预测。剩下的问题就是找到它们。

根据2012年的宇宙重子调查，50％到60％的重子应该存在于星系之间的气体云中。

找不到的物质

全世界的科学家开始努力寻找。最初的线索来自理论宇宙学家，他们的计算机模拟预测，大部分失踪的物质隐藏在充满整个宇宙、密度极低的高温等离子体中，它们被称为“温-热星际介质”，简称为“WHIM”（warm-hot intergalactic medium）。

这种星际介质包含温度从几千度到几百万度的气体细丝，找到它们将解决缺失的重子问题，它们是如此分散，以至于很难看到。

红色圆圈表示在数十亿光年远的星系中产生快速射电暴的位置。图片：J. Xavier Prochaska, Jay Chittidi and Alexandra Mannings, CC BY-ND

意外的解决方案

在2007年，天文学家邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）偶然发现的一种宇宙现象，即快速射电暴（FRB）。快速射电暴是非常短暂、高能量的无线电发射脉冲。其产生机制尚不清楚，但是可以确认它们来自遥远的星系。

快速射电暴持续时间不到千分之一秒。当这些无线电穿过宇宙中的气体和理论上的温-热星际介质时，它将发生色散，无线电波的长波和短波会产生不同程度的减速。当快速射电暴跨越数百万或数十亿光年到达地球时，色散使较长的波长减慢了很多，它们比较短的波长晚到将近一秒钟。

快速射电暴源于数百万甚至数十亿光年远星系，可以利用它们找到失踪的重子。图片：ICRAR, CC BY-SA

通过测量快速射电暴内不同波长的分布，可以精确地计算出无线电波在到达地球的过程中穿过了多少物质（主要是重子）。

为了精确测量重子密度，我们需要知道快速射电暴来自天空的哪个位置。如果我们知道源星系，就能够知道无线电波传播了多远。有了它们以及他们经历的分散程度，也许我们可以计算出它们在到达地球途中经过了多少物质。

技术创新

遗憾的是，最初发现的快速射电暴无法给予我们确切的位置信息。直到2018年8月，科学家能够开始使用澳大利亚平方公里阵列探路者（ASKAP）射电望远镜寻找快速射电暴。这款新型望远镜可以观察到天空的大部分，大约是满月大小的60倍，并且可以在发现快速射电暴的同时查明它们的位置。

快速射电暴（点）的色散测量与宇宙学预测（黑色曲线）相比较基本一致。图片：Hannah Bish, CC BY-ND

一个月后，望远镜捕获了第一个快速射电暴，之后科学家迅速使用夏威夷的凯克望远镜来识别它来自哪个星系以及距离我们多远。

到2019年7月，累积检测到另外5起事件。使用这6个快速射电暴的色散数据，科学家能够粗略地计算出无线电波在到达地球之前经过了多少物质。数据正好落在5％估计值预测的曲线上，这意味着科学家已经完全检测到了缺失的重子。

当然，这只是第一步，仅凭6个数据点，无法重现整个宇宙的缺失重子的图像。科学家需要大约100个点的数据，来精确地建立宇宙网状联系图。

另一个谜是快速射电暴的产生原因，这可能需要等待ESA计划于2028年发射的雅典娜望远镜来帮助我们回答这个问题。

更大的谜来自暗物质（约占23％）和暗能量（约占73％），我们仍然没有任何机会找到它们。