新研究：宇宙76%普通物质藏身星系之间的空间

IT之家 12 月 28 日消息，若你用望远镜眺望宇宙，会看到无数星系。这些星系大多拥有超大质量的中心黑洞、数十亿颗恒星，以及围绕恒星运行的行星。宇宙中充斥着体积庞大、壮丽璀璨的天体，人们或许会认为，宇宙中的绝大部分物质都集中在这些巨型天体之中。

但大爆炸理论预测，宇宙中约 5% 的物质应当是由质子、中子和电子构成的原子。而这些原子中的绝大多数，都无法在恒星和星系中找到，这一矛盾现象长期困扰着天文学家。

既然这些物质不在可见的恒星与星系里，那么它们最有可能的藏身之处，便是星系之间的广袤虚空。尽管太空常被称作真空，但它并非完全空无一物。单个粒子和原子弥散在恒星与星系的空间中，构成了一个昏暗、呈丝状网络结构的“宇宙网”。

2025 年 6 月发表的一项研究中，一个科学家团队运用一种独特的射电技术，完成了对宇宙中普通物质的普查。

普通物质普查

寻找普通物质，最直观的目标便是恒星。引力将恒星汇聚成星系，天文学家能够统计可观测宇宙内的所有星系数量。

据普查结果，宇宙中约有数千亿个星系，每个星系又包含数千亿颗恒星。不过这个数字存在不确定性，因为有许多恒星游离于星系之外。据估算，宇宙中恒星总数约为 10 的 23 次方颗，这一数量是地球上所有沙滩沙子总数的数百倍。而宇宙中的原子总数，更是达到了约 10 的 82 次方个。

然而，如此庞大的数量，与大爆炸理论预测的物质总量仍相去甚远。精确核算表明，恒星仅占宇宙物质总量的 0.5%。据推测，宇宙中漂浮着的自由原子数量，是恒星中原子数量的十倍。而除氢、氦之外的其他元素 —— 包括碳，以及构成生命的所有基础物质，仅占宇宙物质总量的 0.03%。

探秘星系际空间

星系际介质，即星系之间的空间，近乎完全真空，其密度约为每立方米 1 个原子，这一密度还不到地球空气密度的万亿亿分之一。但考虑到宇宙直径高达 920 亿光年，即便密度如此之低，这种弥散介质所累积的物质总量依然相当可观。

据IT之家了解，星系际介质温度极高，可达数百万摄氏度。这一特性使其极难被观测，唯有借助 X 射线望远镜才能实现 —— 因为超高温气体在宇宙中会以极短的 X 射线波长辐射能量。但 X 射线望远镜的灵敏度有限，原因在于其体积小于大多数光学望远镜。

新工具登场

天文学家近期借助一种新型工具，攻克了这一“物质失踪”难题。快速射电暴是一种强烈的射电波爆发，它在一毫秒内释放的能量，相当于太阳三天释放的能量总和。这类爆发于 2007 年首次被发现，科学家随后证实，其源头是遥远星系中致密的恒星残骸。射电暴的能量在穿越宇宙空间的过程中会不断衰减，当这些能量抵达地球时，其强度已降至月球发射的手机信号抵达地球时强度的千分之一。

2025 年初的研究指出，快速射电暴的源头，是超致密中子星周围的强磁场区域。中子星是大质量恒星在超新星爆发后，因自身引力坍缩形成的密度极高的残骸。能够发射射电暴的这类特殊中子星被称为“磁星”，其磁场强度是地球磁场的千万亿倍。

尽管天文学家尚未完全弄清快速射电暴的成因，但他们已能利用这种现象来探测星系之间的空间。当快速射电暴穿越宇宙时，其电波会与高温星系际气体中的电子发生作用，导致较长波长的电波速度减慢。射电信号会因此发生色散，就像三棱镜将太阳光分解成彩虹一样。天文学家通过测量信号的色散量，就能计算出射电暴在抵达地球的途中，穿过了多少星系际气体。

谜题破解

2025 年 6 月发表的这项新研究中，来自加州理工学院和哈佛天体物理中心的天文学家团队，利用加利福尼亚州的一个由 110 台射电望远镜组成的阵列，对 69 个快速射电暴展开了研究。团队发现，宇宙中 76% 的普通物质存在于星系之间的空间，15% 存在于星系晕（即星系中可见恒星周围的区域），剩余的 9% 则存在于恒星内部。

这项对宇宙普通物质的完整普查，为大爆炸理论提供了有力佐证。该理论预测，宇宙诞生最初几分钟内形成的普通物质总量占比约为 5%，而此次研究恰好找到了这一比例的物质，让大爆炸理论通过了一项关键验证。

截至目前，人类已观测到数千个快速射电暴。未来即将建成的射电望远镜阵列，有望将射电暴的发现速率提升至每年 1 万个。如此庞大的样本量，将使快速射电暴成为宇宙学研究的强大工具。宇宙学是一门研究宇宙大小、形状及演化过程的学科。借助快速射电暴，科学家不仅能统计原子数量，还能绘制出宇宙网的三维结构。

宇宙物质构成饼图

如今，科学家或许已经摸清了普通物质在宇宙中的分布全貌，但宇宙的绝大部分构成，依然是他们尚未完全理解的存在。

宇宙中含量最丰富的两种成分是暗物质和暗能量，而人类对这两者的认知都十分有限。暗能量正在推动宇宙加速膨胀，暗物质则是维系星系乃至整个宇宙结构的“隐形黏合剂”。

暗物质很可能是一种此前未被发现的基本粒子，不属于粒子物理标准模型的范畴。物理学家至今未能直接探测到这种新型粒子，但我们可以确定它的存在 —— 根据广义相对论，质量会使光线发生弯曲，而人类观测到的引力透镜效应，远超可见物质所能产生的程度。引力透镜效应是指星系团会像光学透镜一样，使经过其附近的光线发生弯曲和放大。暗物质的总质量，是普通物质的 5 倍以上。

一个谜题或许已经解开，但更大的谜团仍待探索。尽管暗物质依旧神秘莫测，但我们如今对构成人类自身及周遭世界的普通原子，已经有了极为深入的了解。