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宇宙失蹤質量被發現,但這並不影響暗物質

幾乎統一的宇宙,隨著時間的推移膨脹,在重力的影響下,將創建一個宇宙網的結構,網路包含黑暗和普通物質

看起深邃的宇宙,隨處可見的恆星和星系在各個方向。總之,在可觀測的宇宙有二萬億個星系,每一個星系又有平均數以千億計的恆星。但是如果我們統計所有可見的,即使知道恆星是如何運轉的,它也只解釋了宇宙的一小部分質量。在星系中尋找氣體、塵埃,黑洞,星雲和更多,我們仍然沒有得到足夠質量來彌補我們的宇宙質量。最近的一項最新研究首次揭示了星系之間的新「失蹤物質」,開始慢慢接近。但即便如此,超過80%是完全未知的。直到我們找到暗物質,這秘密不會得到解決。

遙遠宇宙圖片,這些壯觀的圖片只是展示正常物質形成的恆星的發射光,但這並不佔絕大多數

我們可以根據多種方法知道在宇宙中有多少總物質。宇宙膨脹速度決定於宇宙中存在的物質,所以測量變星,恆星,星系,超新星等等的哈勃流,可以告訴我們宇宙有多少物質,輻射,和還缺少多少其他形式的能量。我們也可以測量宇宙的大尺度結構,從星系各種尺度的聚類,確定有多少總物質,以及多少是正常的,還得需要多少是暗物質。另外宇宙微波背景輻射的波動,大爆炸的殘餘,告訴我們很多關於宇宙物質的總量,多少是正常的物質和多少是暗物質。

宇宙微波背景的波動圖,這幅圖像編碼大量的關於早期宇宙的信息,包括其組成、年齡、和歷史

最後,看宇宙大爆炸遺留下來的輕元素提供了一個完全獨立的數據:正常物質(基於原子)必須存在。從所有不同的證據,我們看到相同的結果。大約5%的宇宙能量是正常物,27%是暗物質,另68%是暗能量,已經知道了將近20年了,但它仍然是一如既往的令人費解。例如:

1,我們仍然不知道暗能量是什麼,或是什麼產生的它。

2,我們從大量的觀察知道暗物質存在,我們知道它的通用屬性,但我們還沒有直接探測到或發現暗物質粒子。

3,甚至,正常物質——由質子、中子、電子組成的物質——並不完全就是。

事實上,如果我們統計所有我們知道的正常物質,失蹤的還是大部分。

暗能量約束的三個獨立來源:超新星,CMB和 BAO。注意,即使沒有超新星,我們也需要暗能量

有兩種方法來測量宇宙,並且完全相互獨立的:通過物體發出或吸收的光,通過物質的引力效應。前面講述方法包括宇宙膨脹,大型結構和宇宙微波背景——所有都是使用重力測量。但光中也起著重要作用。繁星閃爍,因為內部物理核反應引起的,所以測量光可以告訴你有多少質量。測量其他波長的光的吸收和發射,不僅可以計算不僅僅是恆星有多少質量,還有氣體,,灰塵,,星雲和黑洞。到高能量,你甚至可以測量星系內熱等離子體。但我們仍然失蹤的一半以上,甚至高達物質總數的90%。除了5%,我們都錯過了。

哈勃拍攝的宇宙網路圖,我們可以通過電磁信號檢測的失蹤物質僅是正常物質;暗物質是不受影響

所以剩下的應該在哪裡?不是在星系,而是在它們之間。暗物質應該形成叢和集群為大規模的細絲。當第一批恆星的高能輻射穿過星際空間時,暗物質和光線完全忽視對方的存在,但正常物質是脆弱的。當宇宙只有380000歲時就形成了中性原子,宇宙形成數億年後,這些早期恆星的熱紫外線擊打這些星系間原子。光子被吸收,將電子完全踢出原子,創建出星際等離子體:暖熱星系際介質(WHIM)。

暖熱星際介質(WHIM)已經發現過,但只有在令人難以置信稠密物質分布地區,像雕塑家牆,如上

通過低能量光子散射到更高能量,宇宙中電離等離子體碰撞低能光導致更高能量

什麼是Sunyaev-Zel dovich效應?想像你均勻發射光,向整個宇宙四面八方貫穿。隨著光的傳播,隨著宇宙膨脹的延伸,使其能量會下降。但在一些地方,它將會通過熱電離等離子體。當光子通過等離子體,由於電磁作用有輕微的影響,光的波動性質:光子被轉入到更高的能量,由於等離子體溫度和運動的作用。

早在1969年,,Sunyaev-Zel dovich就發表論文預測了這種效應,作為熱宇宙模型中物質和輻射的相互作用幾十年以後該效應終於被檢測到。事實上,論文幾乎完全由Sunyaev完成的,Zel dovich僅僅添加了檢測這種效應將是多麼困難。近50年之後,我們用它來探測宇宙中失蹤的正常物質。

宇宙網路是由暗物質驅動,沿著沒有恆星或星系細絲的稠密正常物質第一次被檢測到

但這並沒有排除暗物質的必要性;它沒有碰到那未被發現的宇宙中27%的物質,一絲一毫都沒有。這只不過是我們知道的5%的另一部分,我們在努力將這5%湊齊。也是質子、中子和電子。這個細絲纖維結構包含正常物質是進一步支持暗物質的證據,因為如果沒有暗物質,就沒有引力分布保持著額外的正常物質。在這種情況下,WHIM追溯著暗物質,進一步證實了我們所預測的暗物質必須在那。

暗物質宇宙網路和其形成的大規模結構。正常物質存在,但也就只是總數的1/6

是的,我們已經發現了一些宇宙中部分失蹤的物質,這是不可思議的!但我們發現的該失蹤物質是正常物質的一部分——其中包括我們的宇宙5%的一部分,所有的暗物質都未被發現。最新發現意味著一些驚人事實:失蹤的重子問題通過引發了我們看到的一切的宇宙網路也就解決了。但是,剩餘27%的宇宙仍然在哪裡,我們仍然不知道那是什麼。我們可以看到它的影響,但沒有再多的失蹤正常物質會削弱暗物質。我們仍然需要它,無論我們發現多少正常物質,即使我們確認所有正常物質,我們仍然需要暗物質去理解宇宙中所有的物質。


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