不是暗物质！宇宙中“神秘失踪”物质终现形，竟藏身于星际之间物质世界 95% 以上由暗物质、暗能量组

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物质世界 95% 以上由暗物质、暗能量组成, 我们至今对它们所知甚少。而对于那些我们所熟悉的普通物质—重子也“失踪”近半，成为一个困扰科学家许久的巨大谜团。

重子是指由三个夸克或反夸克组成的复合粒子，我们所知的质子，中子以及一些诸如反中子、反质子均属于重子的范畴，可以是说重子物质组成了我们身边丰富多彩的世界。当宇宙大爆炸理论开始走入公众视野时，不容忽视的问题出现了：在计算宇宙中应该存在多少普通物质后，科学家们发现，有许多的普通物质神秘失踪，找寻未果。

现在，“丢失的物质”终于现形！研究者首次利用早期宇宙中的辐射探寻到了这些丢失的重子物质，这些重子的形态有点像激光照射后出现的“滚滚浓烟”，而之前对恒星、星系和其他明亮的星体的观测中并未计及这些新发现的重子。而这些重子物质的存在也将成为证明大量关于星系、宇宙的结构如何形成的理论的有力证据。

图 | 超级计算机模拟的星系和星系团在被称作宇宙网的长长的纤维丝状的结构中形成过程

近期，两个相关研究的团队各自独立地发现，“消失”的重子物质包含在了以弥散形式联系起星系的纤维状“气丝”中。这两个团队分别是由 Anna de Graaff 领导的英国爱丁堡大学团队以及由 Hideki Tanimura 领导的来自法国奥赛天体物理研究所的团队，他们分别将结果发表在了 9 月 15 日和 9 月 29 日的预印本网站 arXiv 上，Science 网站也在10月10日报道了此次发现。

在此次研究之前，宇宙学家们能大致的知道宇宙大爆炸后的 20 分钟里出现的氢、氦所组成的重子物质的量。而通过研究大爆宇宙大爆炸后遗留弥漫于整个空间的光子，即所谓的宇宙微波背景 (CMB)，也证实了这些量。而同时 CMB 也揭示出宇宙中大概有 70% 的暗能量，23% 的暗物质，以及仅 4.6% 的普通物质（重子物质）。对于占小比例的重子，恒星和星系仅占据了重子总量的 10%，而对其他超过半数本应存在的重子，就好似莫名失踪一般。

就如未参与此项研究的，普林斯顿大学的天文学家 Renyue Cen 所谈到的一样：“我们本来就有很多物质处于‘黑暗’中，许多的能量也是‘黑暗的’，而仅知的大约 5% 的普通物质依旧大比例的不知所踪，这样的情况令人困窘。”

图 | 2013 年普朗克卫星发布的婴儿宇宙微波背景辐射图（图片来源：http://planck.ipac.caltech.edu/image/planck13-002a）

为了解决这个问题，科学家们曾经做过一个大胆的预测：根据标准宇宙模型，我们的宇宙充满了大量暗物质，而星系就嵌入于暗物质构成的所谓的宇宙网中，缺失的重子很可能就位于星系间延伸的由高度电离气体组成弥漫云中。

这些弥漫云被称为“温-热星系际物质”（WHIM，散布于星系与星系之间的物质），这些云包含着百万度的气体并以 X 光的形式向外发光，但由于气体过于稀薄，因而很难被观测到。

不过，利用哈勃望远镜等工具，天文学家仍然发现了大量的 WHIM，找到了总计近 50-70% 的“丢失”重子。而一些稀疏且温度不是很高的“气丝”则无法被 X 射线望远镜捕获，所以几乎没人能观察到它，也就无法确定剩余部分的丢失重子到底在去了何处。

正如伦敦大学学院的 Richard Ellis 所言：“我们并没有最佳的观测点和最佳的设备去直接进行观测这些气丝，所以这些气丝的存在还只是纯粹的推测。”

而在最新研究中，Anna de Graaff 团队重新“梳理”出宇宙网中的 WHIM，证明这并不是纯粹的推测。

其中的关键就是一种被称为“苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应”（SZ 效应）的现象：大爆炸后留下的光在穿过热气体时，会与气体中的电子进行“亲密互动”，在宇宙微波背景辐射中留下重子物质的“蛛丝马迹”。

具体而言，随着宇宙的膨胀，宇宙微波背景中的光子到现在已经冷却到了绝对零度以上几度，波长也相应的变的更长。当这些光子穿过热气体时，高温自由电子与通过其中的光子要产生逆康普顿散射相互作用，把一部分能量给光子，提高光子能量减小波长，即产生所谓的 SZ 效应。其结果是使微波背景辐射的黑体辐射谱发生变化，黑体谱的长波端的光子数目减少，短波端的光子数目增加，从而在宇宙微波背景上留下一个个斑点。所以通过寻找 SZ 效应，研究人员就可以在宇宙网络中找到 WHIM 的踪迹。

但是，SZ 效应非常微弱，大概仅能缩短光子波长的千万分一。为了获得足够多信号去观察它，研究者们从斯隆数字巡天项目 (SDSS) 中选取了 100 多万个所隔距离相近的星系对，并将普朗克卫星在对应星系处的收集的 SZ 效应信号数据叠加起来，从而将微弱的“气丝”线凸显出来。

果然，研究人员在合并的图像上辨别出了 SZ 效应，从而估算出经冰冷微波光子修正过的热重子物质的量。结果表明，星系间区域内的物质密度是宇宙平均密度的 6 倍，而这样的密度足够证明剩余的丢失重子组成的“气丝”存在于这一区域。“消失的重子问题被得以解决”，Tanimura 说到。

图 | de Graaff 的团队的 100 万对星系的 SZ 效应数据的叠加分析图。a 图为总数据叠加，b 图为星系对光晕的数据叠加，c 图为去除 b 图中主光晕后的数据叠加图。可以发现 a 图中的两个星系被一「光桥「桥接起来，而 b 图的主要光晕叠加中没有这一「光桥」，那么可以表明这里应该是存在纤细的「气丝「的。(图片来源：arXiv:1709.10378）

无独有偶，Hideki Tanimura 的研究团队，以同样的方法从 SDSS 中选取了约 26 万个星系对进行研究，得到了重子密度是平均密度 3 倍的类似结果。

对此 Tanimura 说到，由于两个研究团队观测“气丝”的距离不同，因而结果间的差异是意料之内的。同时他认为，如果考虑到这种不同因素的话，那么两个团队所得到的结论应该会契合的非常好。

另外，该团队还发现，他们一些关于宇宙的假设早已被几十年前对额外重子的模拟所预测。

图 | Tanimura 团队 26 万多对数据的分析图。左图为星系圆晕的叠加图，右图为去除左图中最佳拟合圆晕后的数据堆叠图，可以发现存在一个连接的区域。（图片来源：arxiv：1709.05024）

不过，一些专家对于这个发现持保留态度。科罗拉多大学的天文学家 J. Michael Shull 说到：“他们做出的一些假设让我感到担忧，比如说，对于纤维线中的气体一直是沿着星系间的连线的假设或许是错误的”。同时他表示，这更有可能是一种更复杂的三维的物质排列方式。

Cen 补充到：“这可能还需要新一代的更大的 X 射线望远镜来最终确定所有失踪的重子物质，如果能找寻到的话，那么 SZ 效应技术或许可以作为一种独立的方法来进行验证。”

而来自马萨诸塞州哈佛-史密森天体物理中心的 Ralph Kraft 谈到：“每个人都知道‘丢失的重子’必定存在，但由两个独立的团队的想出同一个明确的方法去验证它还属首次。不过，要想证明我们对星系及宇宙结构如何形成的诸多想法是正确的，还需要我们走过许多漫漫长路。”

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校审：黄珊

参考：

http://www.sciencemag.org/news/2017/10/astronomers-say-they-ve-found-many-universe-s-missing-atoms