天文學家發現宇宙中「失蹤」的原子，有望揭開宇宙演變的謎團
導語：如果你因為找不到鑰匙而沮喪，那麼想像一下天文學家的感受。多年來，他們一直無法找到宇宙中另外約一半數量的原子，而這些原子是他們認為一個完整宇宙必須包含的。
最近，研究人員利用早期宇宙的輻射，找到了大量此前缺失的物質，這有點像用激光照亮了滾滾濃煙。這一發現有助於加深我們對宇宙如何演變的理解。
宇宙學家大致知道宇宙大爆炸後20分鐘內產生的氫氣和氦氣數量。這些數據通過研究大爆炸後的餘波（所謂的宇宙微波背景(CMB)）而得到證實——這表明我們的宇宙由大約70%的暗能量、23%的暗物質構成，只有4.6%的普通物質或重離子物質。然而，恆星和星系中只包含了推測物質的10%，還沒有佔到研究人員認為應該存在的原子數量的一半。
圖 | 宇宙微波背景輻射
雖然普林斯頓大學的天文學家Renyue Cen沒有參與到這項新工作，但他對這項工作做出了評價。「這很尷尬，你可以想像到。」他說，「不僅大部分物質是黑暗的，大部分的能量也是黑暗的;儘管有5%是正常的原子，可大部分物質是缺失的。」
研究人員認為他們知道重子在哪裡。根據標準宇宙模型，一個預測了宇宙自最早時期以來是如何成長和變化的理論，宇宙充滿了大量的暗物質，而星系被嵌在所謂的宇宙網路中。科學家推測，這些缺失的原子存在於不同星系之間的高度電離氣體，瀰漫在雲層中。它們被稱為熱暖星際物質(WHIM)，有一百萬攝氏度，在x射線中會發光，但是很薄，很難被觀測到。利用可以看到紫外線輻射的觀測站，如哈勃太空望遠鏡，天文學家們發現了足夠的熱暖物質，這佔到了失蹤重子50%到70%的數量—但仍然有很大一部分下落不明。
圖 | 超級計算機模擬了星系和銀河星團如何在被稱為「宇宙網」的長絲狀結構中存在。
在這項新工作中，愛丁堡大學的一個團隊試圖用完全不同的照明光源來梳理纖維狀網路:宇宙微波本身。隨著宇宙的膨脹，宇宙微波中的光子會延長到更長的波長上。當這些光子撞擊宇宙網路中的電子時，它們就能獲得能量，而它們的波長也會減少一點點，這就是所謂的「蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應」（SZ效應）。因此，通過尋找這種效應，研究人員可以追蹤到宇宙網路中的熱暖物質。
SZ效應非常微弱，能將光子的波長縮短約千萬分之一。為了獲得足夠強烈的信號，研究人員在斯隆數字巡天項目調查中發現了100萬對雙星系，它們都隔著相似的距離，併疊加在一起。果然，他們在混合圖像中辨別出了這種效應，這為9月29日在arXiv網站上發表的一篇論文中所報道的熱重離子物質的數量提供了一個估計。研究結果表明，宇宙網路中的物質密度大約是宇宙平均水平的六倍，足以佔據約30%的缺失質量。9月15日在arXiv網站上發布的一項獨立研究也得出了類似的結論，而該研究使用了26萬對雙星係數據。
圖 | 計算機模擬呈現出一大塊「宇宙網」，從這張圖中我們可以看到糾纏的絲狀物將宇宙的星系連接在一起,
然而一些專家對這一發現持保留懷疑意見。科羅拉多大學博爾德分校的天文學家j·邁克爾·舒爾說:「有一些假設讓我擔心，他們假設所有的氣體都在這兩個星系之間的可視範圍內，這可能是不對的。更有可能存在一個複雜的3D布局」他說。很可能需要一個更大的X射線望遠鏡才能最終識別出所有的重子物質。Cen教授說，一旦得以實現，SZ效應技術可以提供一種獨立的方式來證實其發現。
對於宇宙暗物質的研究和觀測一直是前沿物理學和天文學的熱門領域，目前，人類對宇宙的起源和演變仍然存在巨大的未知，但是我們相信，隨著天文學家和物理學家的共同努力，有關暗物質的謎團終會被揭開。
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編譯|汪春楊
編輯|Soybean
審閱|Soybean
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