失踪的普通物质,终于被直接看到了?

作者:王昱来源:环球科学发布时间:2020-11-26

最近,法国天文学家终于直接观测到星系际温热介质,这正是失踪的重子物质的可能成分。	

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星系际温热气体的模拟(图片来源:Wikipedia)


重子物质(baryonic matter),也就是我们日常生活中能接触到的普通物质,只占宇宙质量的4.9%。但就算这4.9%,也没有全部被发现。不过,事情最近有了一些转机。法国天文学家终于直接观测到星系际温热介质,这正是失踪的重子物质的可能成分。


宇宙的质量由重子物质、暗物质和暗能量这3大类构成,三者分别大约占据宇宙质量的4.9%,26.8%和68.3%。其中,暗物质是不参与电磁相互作用的物质,而暗能量是主导宇宙膨胀的能量。相较于这些特性神奇、至今仍未被我们找到的神秘组成部分,充斥在我们生活中的重子物质,即普通物质,则显得平平无奇。


但是,就算是这平平无奇的普通物质,也有30%的质量“丢失不见”了。


丢失的质量


目前,天文学家已经通过两种策略估算出重子物质的质量占比。


第一种策略利用了宇宙微波背景辐射。根据含宇宙学常数的冷暗物质模型(Λ Cold Dark Matter model)对观测到的宇宙微波背景辐射进行推测,可以得知重子物质占宇宙质量的4.9%。


另一种则是对大爆炸核合成时核反应的计算,预测重子物质质量占比。在此之前,由于大爆炸核合成阶段的参数问题,两种手段得出的重子物质占比有些许差异。而近日发表于《自然》杂志的一篇论文,根据在意大利的地下核天体物理实验室获得的大爆炸核合成时期的参数,修正了此前的计算。由此,两种方法得到的结果实现了统一——两种理论都告诉我们,重子物质质量占宇宙质量的4.9%。


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宇宙微波背景,可以根据它推测宇宙中重子物质占比(图片来源:NASA)


但是,这4.9%中的30%却无法通过观测发现。这就是所谓的重子缺失问题(missing baryon problem)。


根据各类天体光度和质量的比例(即光质比),我们就能根据宇宙中不同来源的光来估计其对应的质量。根据射电、光学、X射线等多波段观测,科学家已经明确了光致电离气体(photoionized gas)、星系际温热介质(WHIM,warm-hot intergalactic medium)、星系(galaxies)、星系周介质(CGM,circumgalactic medium)、星系团内介质(ICM,Intracluster medium)、冷气体(cold gas)这些重子物质各自大致的质量比。


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各类重子物质所占比例。其中,通过两种方式观测到的星系际温热物质约占29%,而另有29%的重子物质尚不明确。(图片来源:Shull et al., 2012)


然而2017年之前,上述所有物质加起来也只占到理论预测的70%。剩余的30%就是丢失的重子物质。考虑到观测条件的限制,科学家认为丢失的质量最可能存在星系际温热介质里。也就是说,对于星系际温热介质的质量估计可能太过于保守。


宇宙中有一张由纤维状结构构成的复杂网络。其中,星系就坐落在这张网络的节点上,而连接这些节点的,就是弥散在宇宙中的星系际温热介质。这种丝线状的物质是温度105~107K的等离子体,其分布非常稀疏,温度难以被X射线望远镜探测到,因此当时没人能直接观测到这种气体。


伦敦大学学院的理查德·埃利斯(Richard Ellis)曾说过:“我们已经发明的仪器中没有能直接观察到这种气体的,迄今为止,这种气体的存在仍然是一种猜想。”


浮出水面


2017年,两组科学家分别表示,他们找到了分布在宇宙纤维网络结构中的星系际温热介质。


由于难以直接观测,科学家转而使用SZ效应(Sunyaev-Zel'dovich effect)间接寻找星系际温热介质。SZ效应是指,宇宙微波背景辐射的光子在和宇宙中的高能电子碰撞,即逆康普顿散射(Inverse Compton scattering),使光子获得能量,从而改变光子能量分布。当宇宙微波背景辐射穿过星系际温热介质时,同样也会发生这样的效应。


两个团队在斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)的观测结果中选择了超过100万对星系。他们将星系对之间区域中,由普朗克卫星测得的宇宙微波背景辐射信号堆叠起来,使微弱的信号起伏可以被识别。随后,他们利用SZ效应对这一信号进行计算,发现这些区域的物质密度比其他地方高,其质量足以形成纤维结构,从而间接发现了星系际温热介质。


而近日,参与了上述研究的两组团队之一——巴黎萨克雷大学空间天体物理研究中心的研究团队,终于在X射线波段直接找到了星系际温热介质。


他们选择了15165条已经在斯隆数字巡天中得到确认的大型宇宙纤维结构,再将伦琴卫星(ROSAT,30年前发射)得到的X射线信号堆叠起来,最终发现纤维位置和X射线的空间分布存在相关性。也就是说,他们检测到了来自宇宙网中热气体的X射线,并测得其温度约为3×10⁶K。


首次直接观测到星系际温热介质的结果,使得天文学家有望在将来开展更精细的探测。去年发射的伦琴卫星的继任者——eROSITA——也会提供精度更高的观测数据。伴随着进一步的探测,人们将能够对星系际温热介质进行更加直接、精细的观测。届时,星系际温热介质的含量或将被改写,而那些失踪的重子物质也可能最终露出真容。


参考材料:

https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2016/10/aa25830-15/aa25830-15.html

https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/B/Baryonic+Matter

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2878-4

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/759/1/23

https://arxiv.org/abs/1709.05024

https://www.newscientist.com/article/2149742-half-the-universes-missing-matter-has-just-been-finally-found/

https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2020/11/aa38521-20/aa38521-20.html

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