不是暗物質！宇宙中「神秘失蹤」物質終現形，竟藏身於星際之間

物質世界 95% 以上由暗物質、暗能量組成, 我們至今對它們所知甚少。而對於那些我們所熟悉的普通物質—重子也「失蹤」近半，成為一個困擾科學家許久的巨大謎團。

重子是指由三個夸克或反夸克組成的複合粒子，我們所知的質子，中子以及一些諸如反中子、反質子均屬於重子的範疇，可以是說重子物質組成了我們身邊豐富多彩的世界。當宇宙大爆炸理論開始走入公眾視野時，不容忽視的問題出現了：在計算宇宙中應該存在多少普通物質後，科學家們發現，有許多的普通物質神秘失蹤，找尋未果。

現在，「丟失的物質」終於現形！研究者首次利用早期宇宙中的輻射探尋到了這些丟失的重子物質，這些重子的形態有點像激光照射後出現的「滾滾濃煙」，而之前對恆星、星系和其他明亮的星體的觀測中並未計及這些新發現的重子。而這些重子物質的存在也將成為證明大量關於星系、宇宙的結構如何形成的理論的有力證據。

圖 | 超級計算機模擬的星系和星系團在被稱作宇宙網的長長的纖維絲狀的結構中形成過程

近期，兩個相關研究的團隊各自獨立地發現，「消失」的重子物質包含在了以彌散形式聯繫起星系的纖維狀「氣絲」中。這兩個團隊分別是由 Anna de Graaff 領導的英國愛丁堡大學團隊以及由 Hideki Tanimura 領導的來自法國奧賽天體物理研究所的團隊，他們分別將結果發表在了 9 月 15 日和 9 月 29 日的預印本網站 arXiv 上，Science 網站也在10月10日報道了此次發現。

在此次研究之前，宇宙學家們能大致的知道宇宙大爆炸後的 20 分鐘里出現的氫、氦所組成的重子物質的量。而通過研究大爆宇宙大爆炸後遺留瀰漫於整個空間的光子，即所謂的宇宙微波背景 (CMB)，也證實了這些量。而同時 CMB 也揭示出宇宙中大概有 70% 的暗能量，23% 的暗物質，以及僅 4.6% 的普通物質（重子物質）。對於佔小比例的重子，恆星和星系僅佔據了重子總量的 10%，而對其他超過半數本應存在的重子，就好似莫名失蹤一般。

就如未參與此項研究的，普林斯頓大學的天文學家 Renyue Cen 所談到的一樣：「我們本來就有很多物質處於『黑暗』中，許多的能量也是『黑暗的』，而僅知的大約 5% 的普通物質依舊大比例的不知所蹤，這樣的情況令人困窘。」

圖 | 2013 年普朗克衛星發布的嬰兒宇宙微波背景輻射圖（圖片來源：http://planck.ipac.caltech.edu/image/planck13-002a）

為了解決這個問題，科學家們曾經做過一個大膽的預測：根據標準宇宙模型，我們的宇宙充滿了大量暗物質，而星系就嵌入於暗物質構成的所謂的宇宙網中，缺失的重子很可能就位於星系間延伸的由高度電離氣體組成瀰漫雲中。

這些瀰漫雲被稱為「溫-熱星系際物質」（WHIM，散佈於星系與星系之間的物質），這些雲包含著百萬度的氣體並以 X 光的形式向外發光，但由於氣體過於稀薄，因而很難被觀測到。

不過，利用哈勃望遠鏡等工具，天文學家仍然發現了大量的 WHIM，找到了總計近 50-70% 的「丟失」重子。而一些稀疏且溫度不是很高的「氣絲」則無法被 X 射線望遠鏡捕獲，所以幾乎沒人能觀察到它，也就無法確定剩餘部分的丟失重子到底在去了何處。

正如倫敦大學學院的 Richard Ellis 所言：「我們並沒有最佳的觀測點和最佳的設備去直接進行觀測這些氣絲，所以這些氣絲的存在還只是純粹的推測。」

而在最新研究中，Anna de Graaff 團隊重新「梳理」出宇宙網中的 WHIM，證明這並不是純粹的推測。

其中的關鍵就是一種被稱為「蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應」（SZ 效應）的現象：大爆炸後留下的光在穿過熱氣體時，會與氣體中的電子進行「親密互動」，在宇宙微波背景輻射中留下重子物質的「蛛絲馬跡」。

具體而言，隨著宇宙的膨脹，宇宙微波背景中的光子到現在已經冷卻到了絕對零度以上幾度，波長也相應的變的更長。當這些光子穿過熱氣體時，高溫自由電子與通過其中的光子要產生逆康普頓散射相互作用，把一部分能量給光子，提高光子能量減小波長，即產生所謂的 SZ 效應。其結果是使微波背景輻射的黑體輻射譜發生變化，黑體譜的長波端的光子數目減少，短波端的光子數目增加，從而在宇宙微波背景上留下一個個斑點。所以通過尋找 SZ 效應，研究人員就可以在宇宙網路中找到 WHIM 的蹤跡。

但是，SZ 效應非常微弱，大概僅能縮短光子波長的千萬分一。為了獲得足夠多信號去觀察它，研究者們從斯隆數字巡天項目 (SDSS) 中選取了 100 多萬個所隔距離相近的星系對，並將普朗克衛星在對應星系處的收集的 SZ 效應信號數據疊加起來，從而將微弱的「氣絲」線凸顯出來。

果然，研究人員在合併的圖像上辨別出了 SZ 效應，從而估算出經冰冷微波光子修正過的熱重子物質的量。結果表明，星系間區域內的物質密度是宇宙平均密度的 6 倍，而這樣的密度足夠證明剩餘的丟失重子組成的「氣絲」存在於這一區域。「消失的重子問題被得以解決」，Tanimura 說到。

圖 | de Graaff 的團隊的 100 萬對星系的 SZ 效應數據的疊加分析圖。a 圖為總數據疊加，b 圖為星系對光暈的數據疊加，c 圖為去除 b 圖中主光暈後的數據疊加圖。可以發現 a 圖中的兩個星系被一「光橋「橋接起來，而 b 圖的主要光暈疊加中沒有這一「光橋」，那麼可以表明這裡應該是存在纖細的「氣絲「的。(圖片來源：arXiv:1709.10378）

無獨有偶，Hideki Tanimura 的研究團隊，以同樣的方法從 SDSS 中選取了約 26 萬個星系對進行研究，得到了重子密度是平均密度 3 倍的類似結果。

對此 Tanimura 說到，由於兩個研究團隊觀測「氣絲」的距離不同，因而結果間的差異是意料之內的。同時他認為，如果考慮到這種不同因素的話，那麼兩個團隊所得到的結論應該會契合的非常好。

另外，該團隊還發現，他們一些關於宇宙的假設早已被幾十年前對額外重子的模擬所預測。

圖 | Tanimura 團隊 26 萬多對數據的分析圖。左圖為星系圓暈的疊加圖，右圖為去除左圖中最佳擬合圓暈後的數據堆疊圖，可以發現存在一個連接的區域。（圖片來源：arxiv：1709.05024）

不過，一些專家對於這個發現持保留態度。科羅拉多大學的天文學家 J. Michael Shull 說到：「他們做出的一些假設讓我感到擔憂，比如說，對於纖維線中的氣體一直是沿著星系間的連線的假設或許是錯誤的」。同時他表示，這更有可能是一種更複雜的三維的物質排列方式。

Cen 補充到：「這可能還需要新一代的更大的 X 射線望遠鏡來最終確定所有失蹤的重子物質，如果能找尋到的話，那麼 SZ 效應技術或許可以作為一種獨立的方法來進行驗證。」

而來自馬薩諸塞州哈佛-史密森天體物理中心的 Ralph Kraft 談到：「每個人都知道『丟失的重子』必定存在，但由兩個獨立的團隊的想出同一個明確的方法去驗證它還屬首次。不過，要想證明我們對星系及宇宙結構如何形成的諸多想法是正確的，還需要我們走過許多漫漫長路。」

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