宇宙原子失蹤之謎被破解：一半普通物質都藏身於此

撰文| Leah Crane

翻譯| 戴晨

審校| 吳非

宇宙由約70%的暗能量、23%的暗物質和4.6%的普通物質，或者說重子物質所構成。你可能聽說過科學家們正在尋找暗物質，一種瀰漫在整個宇宙中神秘物質。各國研究人員動用了各種大型探測設備，至今仍未找到它的蹤影。但實際上，即使對於普通物質，我們也沒有完全掌握其蹤跡——根據我們的宇宙模型，宇宙中有近一半的普通物質還沒有被探測到。

近日，兩個獨立的小組分別發現了這些失蹤的重子。它們通過絲線狀的，熱的彌散氣體將星系聯繫起來。這種物質被稱為溫熱星系際物質（warm-hot intergalactic matter）。

「消失的重子的問題被解決了，」法國奧爾賽空間天體研究所（Institute of Space Astrophysics）的Hideki Tanimura說道。他領導了其中一個小組。另一個小組則由英國愛丁堡大學（University of Edinburgh）的Anna de Graaff領導。兩個小組的研究結果均已發表在預印本網站arXiv上。

因為這種氣體非常稀薄，且溫度不足以被X射線望遠鏡探測到，因此在此之前沒有人觀測到這種氣體。

「沒有什麼最佳觀測點，我們已經發明的儀器中沒有能直接觀察到這種氣體的，」倫敦大學學院（University College London）的Richard Ellis說，「迄今為止，這種氣體的存在仍然是一種猜想。」

因此，這兩個小組需要尋找另外方法來確定這些絲狀的氣體是否真實存在。

兩個團隊都利用了「蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應（Sunyaev-Zel』dovich effect，簡稱SZ效應）。這種效應在宇宙大爆炸留下的光（也就是宇宙微波背景輻射）通過熱氣體的時候發生。在宇宙膨脹的過程中，宇宙微波背景輻射中的光子波長變長，且冷卻到接近絕對零度。當這種光子與電子發生碰撞，它們重新獲得能量，波長會小幅地變短，這會在宇宙微波背景輻射上留下一個昏暗的斑點。

把他們堆起來

Planck CMB

來源：http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Highlights/Planck_s_Universe

兩個團隊利用斯隆數字巡天（Sloan Digital SkySurvey）選擇了超過100萬對星系，這些星系被認為可能由重子連接，且星系間的距離基本相同。研究人員將星系對之間區域的普朗克信號堆疊起來，把微弱的信號變成了可以觀察到的絲線。

Tanimura的團隊將26萬對星系的數據堆疊起來，de Graaff的小組則利用了超過100萬對星系的數據。兩個團隊都找到了明確的證據來證明，星系之間的確有線狀的氣體。Tanimura的小組發現，這些物質比宇宙中普通物質的密度高三倍，de Graaf的小組則提出這些物質比普通物質的密度高六倍。這證明在這些區域內的物質的密度足以構成細線。

「兩項研究得出的數據有所差異，這是在我們意料之中的，因為我們在研究不同間距的線」，Tanimura說，「如果將這個因素考慮在內，我們和另一個組的研究結果非常一致。」

最終，這些幾十年來一直存在於模型中的重子終於被找到，我們對宇宙的一些假設也得到證實。

「所有人都在某種程度上相信那些消失的物質肯定存在，但這是第一次有人確切探測到它們。」來自美國馬薩諸塞州哈佛-史密松森天體物理中心的Ralph Kraft說，「在證明星系以及星系間的結構如何形成的道路上，這是一個很大的進步。」

也有一些專家對研究結果持保留意見。「他們做出的一些假設令我困擾，」科羅拉多大學博爾德分校的天文學家J. Michael Shull說，「他們假設線狀的氣體恰好分布在兩個星系之間的視線上，這可能並不正確」。他補充到，物質更可能以一種更複雜的3D結構分布於星系間。

Journalreferences:arXiv,1709.05024and1709.10378v1

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