宇宙中的失踪物质，找到了！

失踪物质之谜

宇宙中的绝大多数物质是“暗”的——它们完全不可见，仅能通过引力效应被间接探测。这些所谓的暗物质占宇宙总质量的约85%。相比之下，普通物质或重子物质（主要由质子构成）仅占约15%。与暗物质不同，普通物质会发出不同波长的光，因此可以被望远镜观测到。

然而，当天文学家把所能看到的或所能测量的一切都加起来的时候，却发现有一半的普通物质“下落不明”。那么，失踪的重子物质到底去哪了？

现在，这一谜题终于迎来突破。多亏了一种极端神秘的天文现象——快速射电暴（FRB），让天文学家首次对宇宙网中普通物质的分布进行了详细测量。他们发现超过四分之三的普通物质实际上隐藏在星系之间的稀薄气体中。

这一具有里程碑意义的研究结果已发表于近期的《自然·天文》杂志上。

照亮迷雾的探针

在过去的研究中，科学家就通过X射线发射和对遥远类星体进行紫外线观测，推测出这些失踪的物质可能以稀薄、温热的气体形式存在于星系之间。然而，大多数望远镜几乎无法直接观测到它们。因此科学家只能估算其大致数量和分布，但难以进一步确认。

FRB的出现，让情况有了转机。FRB是一种这种来自遥远星系的明亮而短暂的射电脉冲。近年来，科学家发现FRB可以作为测量宇宙中的重子物质总量的工具。

目前，天文学家探测到的FRB事件已经超过1000个，但只有约100个被精确定位到具体宿主星系。新研究正是基于其中的69个已定位的FRB事件展开的。

“称重”隐形的气体

在研究团队所分析的69个FRB事件中，最近的是距离地球1174万光年的M81星系中的FRB 20200120E，最远的是距离地球91亿光年的FRB 20230521B（迄今记录中最遥远的FRB）。

图中显示了其中3个FRB事件——FRB 20221219A、FRB 20231220A 和 FRB 20240123A。它们被用于追踪气体在星系间的传播路径，并帮助绘制出宇宙网的结构图谱。（图/Jack Madden/CfA, IllustrisTNG Simulations）

当这些射电信号穿越宇宙、一路向地球传播时，它们会受到沿途物质的影响：红色的长波长光比蓝色的短波长光传播得更慢。通过精确测量这种延迟，天文学家便可推断出光路上穿越了多少物质——即“称重”这些原本不可见的气体。

如该研究第一作者Liam Connor所言：“FRB就像宇宙中的手电筒，它们照亮了星系际介质的迷雾。即使这些气体过于微弱，我们也能通过信号的减速情况，准确‘称出’它们的质量。”

这幅艺术构想图描绘了一个明亮的FRB穿越星系际介质的过程。图中较长波长的射电波用红色表示，它们传播速度比较短、偏蓝的波长更慢，这一特性使天文学家能够“称重”这些本身不可见的稀薄物质。（图/Melissa Weiss/CfA）

借助FRB这一宇宙中的“指路明灯”，研究人员发现：

• 约76%的重子物质位于星系际介质中；

• 约15%存在于星系晕中；

• 剩下的部分则集中在星系内——在恒星中或冷星系气体中。

这一分布与高精度宇宙学模拟的预测高度一致，但直到现在才得到观测的证实。

“宇宙普查”的意义与未来

通过FRB，天文学家得以以前所未有的方式“看见”那些原本隐藏在宇宙网中的普通物质。这不仅解决了“失踪的重子”这一悬而未决的谜题，也为我们提供了理解宇宙结构与星系形成的关键线索。

此外，这些发现也展示了FRB作为宇宙探针的巨大潜力。例如，它还可能帮助科学家确定中微子的质量——这种极轻的亚原子粒子，其质量大小或许能揭示超越粒子物理标准模型的新物理现象。

而这，仅仅是一个开始。研究人员预计，随着下一代射电望远镜的启用，未来每年将可探测并定位多达上万个FRB，极大提升我们对普通物质的追踪能力，也将帮助我们以前所未有的细节，绘制出宇宙网的真实面貌。

#参考来源：

https://www.cfa.harvard.edu/news/new-gps-intergalactic-medium-astronomers-have-found-home-address-universes-missing-matter

https://www.caltech.edu/about/news/missing-matter-in-universe-found

#图片来源：

封面图&首图：Jack Madden, IllustrisTNG, Ralf Konietzka, Liam Connor/CfA