本文來自微信公眾號：原理 （ID：principia1687），作者：不二北斗

失蹤物質之謎

宇宙中的絕大多數物質是“暗”的——它們完全不可見，僅能通過引力效應被間接探測。這些所謂的暗物質占宇宙總質量的約85%。相比之下，普通物質或重子物質（主要由質子構成）僅占約15%。與暗物質不同，普通物質會發出不同波長的光，因此可以被望遠鏡觀測到。

然而，當天文學家把所能看到的或所能測量的一切都加起來的時候，卻發現有一半的普通物質“下落不明”。那么，失蹤的重子物質到底去哪了？

現在，這一謎題終于迎來突破。多虧了一種極端神秘的天文現象——快速射電暴（FRB），讓天文學家首次對宇宙網中普通物質的分布進行了詳細測量。他們發現超過四分之三的普通物質實際上隱藏在星系之間的稀薄氣體中。

這一具有里程碑意義的研究結果已發表于近期的《自然·天文》雜志上。

照亮迷霧的探針

在過去的研究中，科學家就通過X射線發射和對遙遠類星體進行紫外線觀測，推測出這些失蹤的物質可能以稀薄、溫熱的氣體形式存在于星系之間。然而，大多數望遠鏡幾乎無法直接觀測到它們。因此科學家只能估算其大致數量和分布，但難以進一步確認。

FRB的出現，讓情況有了轉機。FRB是一種來自遙遠星系的明亮而短暫的射電脈沖。近年來，科學家發現FRB可以作為測量宇宙中的重子物質總量的工具。

目前，天文學家探測到的FRB事件已經超過1000個，但只有約100個被精確定位到具體宿主星系。新研究正是基于其中的69個已定位的FRB事件展開的。

“稱重”隱形的氣體

在研究團隊所分析的69個FRB事件中，最近的是距離地球1174萬光年的M81星系中的FRB 20200120E，最遠的是距離地球91億光年的FRB 20230521B（迄今記錄中最遙遠的FRB）。

圖中顯示了其中3個FRB事件——FRB 20221219A、FRB 20231220A和FRB 20240123A。它們被用于追蹤氣體在星系間的傳播路徑，并幫助繪制出宇宙網的結構圖譜。（圖/Jack Madden/CfA，IllustrisTNG Simulations）

當這些射電信號穿越宇宙、一路向地球傳播時，它們會受到沿途物質的影響：紅色的長波長光比藍色的短波長光傳播得更慢。通過精確測量這種延遲，天文學家便可推斷出光路上穿越了多少物質——即“稱重”這些原本不可見的氣體。

如該研究第一作者Liam Connor所言：“FRB就像宇宙中的手電筒，它們照亮了星系際介質的迷霧。即使這些氣體過于微弱，我們也能通過信號的減速情況，準確‘稱出’它們的質量。”

借助FRB這一宇宙中的“指路明燈”，研究人員發現：

• 約76%的重子物質位于星系際介質中；

• 約15%存在于星系暈中；

• 剩下的部分則集中在星系內——在恒星中或冷星系氣體中。

這一分布與高精度宇宙學模擬的預測高度一致，但直到現在才得到觀測的證實。

“宇宙普查”的意義與未來

通過FRB，天文學家得以以前所未有的方式“看見”那些原本隱藏在宇宙網中的普通物質。這不僅解決了“失蹤的重子”這一懸而未決的謎題，也為我們提供了理解宇宙結構與星系形成的關鍵線索。

此外，這些發現也展示了FRB作為宇宙探針的巨大潛力。例如，它還可能幫助科學家確定中微子的質量——這種極輕的亞原子粒子，其質量大小或許能揭示超越粒子物理標準模型的新物理現象。

而這，僅僅是一個開始。研究人員預計，隨著下一代射電望遠鏡的啟用，未來每年將可探測并定位多達上萬個FRB，極大提升我們對普通物質的追蹤能力，也將幫助我們以前所未有的細節，繪制出宇宙網的真實面貌。

參考來源：

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