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宇宙中最後一種普遍物質已被發現!

9月
21
2018

2018年9月21日06時 今日科學 博科園

博科園

幾十年來,天文學家一直無法找到宇宙中所有的原子物質;最近的一系列論文揭示出其藏身之處。20世紀90年代中期,研究人員決定開始對宇宙中所有「普通」物質——恆星、行星和氣體,以及任何隱藏的原子構成物質進行盤點,而暗物質並非是完全獨立的謎題。根據對大爆炸時期物質是如何產生的理論研究,研究人員對宇宙中應該有多少物質有了初步了解。對宇宙微波背景(CMB)的研究將證實了這些預想。

對星系間熾熱氣體的計算機模擬系統暗示了宇宙中缺失物質的位置。圖片:Princeton University/Renyue Cen

博科園-科學科普:研究人員將所有可見恆星、氣體雲、行星、以及所謂的重子質量相加,發現它們只占了應占比例的10%,研究人員認為普通物質只占宇宙中所有物質的15%。在三篇論文中,天文學家們已經確定了宇宙中所有普通物質的最後一部分。儘管研究花了很長時間才識別出所有星系,但研究人員還是在預測區域發現了它:星系之間空裂隙中廣泛的炙熱氣體卷鬚中(更確切地說是溫熱的星系間介質)。

1、一百萬倍信號

1998年進行的計算機模擬顯示,星系之間可能廣泛存在不可見氣體。普林斯頓大學宇宙學家耶利米說:我們想看看宇宙中所有的氣體都發生了什麼。研究人員對宇宙中的氣體運動進行了模擬,這些氣體運動被重力、光線、超新星爆炸以及所有在太空中移動物質的力量所作用,得出的結論是:這種氣體應該積聚在待被檢測到的「細絲」中。利物浦約翰摩爾大學天體物理學家伊恩·麥卡錫說:在宇宙模擬的早期,許多重子會以一種熱的彌散形式存在,而不是直接存在於星系中。天文學家希望這些熱重子符合宇宙上層結構——由不可見的暗物質構成,跨越了星系之間巨大的空隙。

(A) 排列和疊加100萬對星系的圖像。(B)天文學家繪製了實際星系內所有氣體的地圖。(C)通過初始圖像減去星系,研究人員發現了隱藏在星系間空間的絲狀氣體。圖片:arXiv:1709.10378v2, adapted by Quanta Magazine

暗物質的引力將氣體拉近,並將氣體加熱到幾百萬度。不幸的是,高溫瀰漫氣體難以被發現。許多研究小組都在尋找這種氣體,在尋找過程中還發現了一些缺失物質。到2014年,天文學家已經發現了缺失物質中的70%。仍有30%下落不明。為了發現隱藏的細絲,兩個獨立的研究小組在宇宙微波背景輻射中精確尋找蹤跡。早期宇宙中的光線穿過宇宙時會受到穿過區域的影響。熱電離氣體中的電子應該與來自微波背景輻射的光子發生了相互作用,從而向光子提供額外的能量。另外,宇宙微波背景輻射頻譜應該會失真。

不幸的是,宇宙微波背景輻射(由普朗克衛星提供)沒有出現這種問題。這也就證明要麼是氣體真實不存在,要麼是其影響太細微而無法顯現。但這兩組研究人員決心要將它公之於眾。通過對宇宙越來越詳細的計算機模擬,知道氣體應該像蜘蛛網一樣在巨大星系之間伸展。但普朗克衛星無法看到任何一組星系之間的氣體。因此,研究人員不得不用將微弱信號加強一百萬倍的方法。科學家們首先查閱了已知星系的名單,以找到合適的星系對

法布里齊奧·尼科斯特羅利用類星體發出的光來追蹤失蹤氣體。圖片:Courtesy of Fabrizio Nicastro

質量足夠大,兩者之間的距離適宜,兩者之間存在一個相對較厚的氣體蛛網。而後天體物理學家觀測普朗克數據,確定了每一對星系的位置,將那個區域單獨拿出來研究。有超過一百萬個研究區域,愛丁堡大學博士生安娜·德·格拉夫將每一區域旋轉、放大、縮小,這樣所有的星系對看起來都處於同一位置。法國奧賽太空天體物理研究所田村秀樹領導的一個小組將26萬對星繫結合在一起。瀰漫著熾熱氣體的細絲開始在宇宙中變得清晰可見。

然而這種技術尚有缺陷,科羅拉多大學博爾德分校天文學家麥可·舒爾說:對結果進行解釋,就需要對高溫氣體的溫度和空間分布做出假設。由於信號疊加,人們總是擔心信號微弱,這也是大量數據結合的必然結果,正如有時在民意調查中發現的那樣,當一個人在分布中有異常值或偏差,從而就會扭曲統計數據,從而可能會得到錯誤的結果。在一定程度上,宇宙學界並沒有考慮這個問題的解決方案。但現在需要的一種獨立測量熱氣體的方法。

2、燈塔效應

當前兩組研究人員將信號疊加在一起時,第三組研究人員研究出了不同的方法。他們觀測到一顆遙遠的類星體——數十億光年外的一個明亮的燈塔,並用它來探測光線穿過的看似空無一物的星系間空間中的氣體。通常當天文學家採取這一方法時,他們都試圖尋找被氫原子吸收的光,因為氫原子是宇宙中最豐富的元素。不幸的是,這個辦法難以進行下去。高溫將它電離了氫,把它的單個電子帶走了。其結果形成了不吸收任何光的自由質子和電子等離子體。

所以天文學家決定尋找另一種元素:氧。雖然宇宙中的氧沒有氫多,但原子氧有8個電子,而氫只有1個。瞬間產生的熱量不會將氧的電子全部帶走。羅馬國家天體物理研究所的Fabrizio

Nicastro領導的研究小組追蹤了被氧原子吸收的光,發現氧原子只失去了兩個電子。他們還發現了兩股熾熱星系間氣體提供了一個更大的氫和氦儲層的示蹤物。研究人員將地球和這個特殊類星體之間發現的氣體量外推到整個宇宙。結果表明找到了缺失部分的30%。

這個數字也與宇宙微波背景輻射研究的果非常吻合。德克薩斯大學奧斯汀分校天文學家邁克·博伊蘭-科爾欽說:研究小組正在研究同一個謎題的不同部分,卻得出了相同的答案,考慮到他們的方法不同,但這的確讓人放心。觀察到的類星體是我們能找到最好最亮的燈塔。其他的類星體將會更微弱,所需觀察時間也會更長。但就目前而言,結論是明確的——失蹤的重子已經被發現。

博科園-科學科普|參考期刊文獻 :《Astrophysics》,《arXiv》|文:Katia MoskvitchQuanta magazine/Quanta Newsletter|DOI: 10.1038/s41586-018-0204-1

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