宇宙中失蹤的正常物質已被發現！暗物質也快了
宇宙的大尺度結構。
幾十年以來，科學家所使用的宇宙模型都是基於重子物質的，我們通常所說的物質都是具有靜止質量的物質，組成這些物質的最基本單位是原子（並不是說原子不可再分）。我們把各種原子或原子核統稱為重子物質。顯然，有重子物質，就有非重子物質，光子就是非重子物質，天體輻射光子，使整個宇宙充滿光子，但光子沒有靜止質量，因此它對於宇宙中物質的密度沒貢獻。所以說，沒有靜止質量的物質，就叫做非重子物質。重子物質能夠被看見，我們又把它稱為正常物質，但是，宇宙中還包含了大量的不可見物質。宇宙中約有26.8%的物質是「暗物質」，正常物質的比率僅為4.9%。
目前正在開展的暗物質搜尋研究還未找到暗物質存在的直接證據，但科學家認為，宇宙中90%以上的物質還未被發現。最近發表的兩項新研究報告稱，大部分正常物質已被發現，這些正常物質以氣體細絲形態在宇宙空間瀰漫，將星系連接在一起。
第一項研究報告的名字為《斯隆數字巡天發光紅星系對間高溫氣體細絲的觀測研究》，發表於《皇家天文協會每月通報》。研究小組組長為英屬哥倫比亞大學的博士研究生秀城谷村，組員包括來自於加拿大高等研究院、利物浦約翰摩爾斯大學、南非誇祖魯納塔爾大學的研究人員。
歐洲航天局發射的普朗克衛星，收集了全天空的宇宙數據，對不同波長的宇宙天空進行了展示。
最近在網路發布的第二項研究，名為《蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應發現了宇宙網路中失蹤的重子》。第二個報告的研究人員來自於愛丁堡大學，研究組組長為愛丁堡皇家天文台天文研究所的本科生安娜·德·格拉夫。這兩個研究小組各自獨立開展研究工作，均研究解決了關於宇宙中失蹤物質的難題。
當前的通說理論在宇宙模擬中認為，以前沒有發現的宇宙正常物質主要是質子、中子、電子等重子物質構成的、瀰漫於宇宙空間的氣體細絲。它們所存在區域被稱為「宇宙網路」，氣體密度很低，溫度僅為零下168-零下166攝氏度。
歐航局的「普朗克」探測器於2009年5月從法屬蓋亞那庫魯航天中心升空入軌，其主要任務是探測宇宙微波背景輻射，幫助科學家研究早期宇宙形成和物質起源的奧秘。2010年，歐航局根據「普朗克」探測器傳回的數據繪製了首幅宇宙全景圖，歐洲航天局公布的宇宙微波背景輻射全景圖是在宇宙全景圖的基礎上繪成的。這兩個研究團隊使用了普朗克探測的數據完成了各自的研究。研究中還使用了2015年發布的利用蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應繪製的宇宙熱度圖數據。
蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應（Sunyaev-Zel dovich effect，縮寫為SZ效應）是宇宙微波背景輻射的光子與星系團等天體中的高能電子發生逆康普頓散射而導致觀測到的溫度分布產生變化的現象。經過逆康普頓散射，高能電子的一部分能量轉移給了背景輻射中的低能光子，因而低能光子的數量減少，高能光子的數量增加，光子的總能量增加，背景輻射不再是理想的黑體輻射。SZ效應是由蘇聯物理學家拉希德·蘇尼亞耶夫和雅可夫·澤爾多維奇於1970年代初期提出的，並且已經在某些星系團中觀測到，可以用於檢測宇宙中的物質分布、確定哈勃常數的數值、星系團中熱等離子體的質量等。利用亞毫米波望遠鏡（微波望遠鏡）能夠探測到SZ效應的扭曲現象，有助於宇宙學家們找到對其他方法來說太遠或太暗而無法發現的星系星團。這些觀察結果反過來有助於宇宙學家發現星團的演化過程，而且有可能利用SZ效應發現宇宙中暗物質的位置。在宇宙研究任務期間，普朗克衛星高靈敏度地測量了宇宙微波背景輻射光子的光譜異常，形成了熱度圖，並由此繪製了宇宙的大尺度結構圖。
全宇宙紅外光譜圖顯示，銀河平面及突起區域充滿了恆星及宇宙塵埃。
但星系間的氣體絲串過於細微，科學家在之前未能觀測發現。兩個研究團隊利用南北CMASS星系目錄數據對這一缺陷進行了彌補，該目錄是依照斯隆數字巡天發布的第12批數據所編製的。研究人員選擇一對星系，並對該星系間的空間進行重點研究。
他們將普朗克任務獲取的該區域熱度數據相互進行堆疊，對星系間SZ效應所導致的信號進行了加強。谷村通過電子郵件對今日宇宙網說：
「斯隆數字巡天宇宙觀測計劃描繪了宇宙的大尺度結構。普朗克觀測計劃發布了解析度更高的全宇宙氣體壓力圖。我們綜合這些數據，對宇宙網路中的低密度氣體進行了探測研究。」
谷村的研究團隊對26萬對星系的數據進行了研究，格拉夫的研究團隊研究的星系更多，達到了100多萬個。儘管兩個研究團隊的測量方法各有不同，但他們都最終發現了氣體細絲的確實證據。谷村的研究團隊發現，宇宙網路間氣體細絲的密度要比其周圍空間的平均密度大3倍，格拉夫的團隊的研究結果是6倍。
「我們是通過靜止堆疊的方法發現這種低密度氣體的。」谷村說：「據我們了解，還有一個研究團隊也用幾乎同樣的方法取得了非常相似研究成果。兩個團隊的主要不同在於，我們研究的是距離較近的宇宙區域，而他們研究的區域要遙遠一些。」
概念圖，演示了宇宙的演化，左邊是大爆炸，右邊是當代宇宙。
他們研究最令人感興趣的地方在於，揭示出了宇宙網路中的重子物質密度會隨著時間推移而降低。兩項研究所發現的物質總量約為宇宙中全部重子物質的15%-30%。這一比率雖然不低，雖然還有更多的重子物質等待人們去發現，這兩個研究確實取得了驚人的發現。
谷村解釋說，他們的發現不僅解釋了目前的宇宙模型理論（蘭布達冷暗物質模型），還超越了該模型理論：
「宇宙的一些細節之處對我們來說還是很神秘。我們的研究結果揭曉了其中部分之處，帶來了更為精確的宇宙圖景。最初，人們剛剛開始航行大海之時，就繪製起了世界地圖，前人繪製的很多地圖指引著現在的人們揚帆遠航。同樣，一幅全宇宙的地圖現在看來可能沒有什麼價值，因為我們現在還不具備宇宙遠程探險的技術。但500年後，人們能夠探索遙遠宇宙時，這幅宇宙地圖可能就非常有價值了。現在，我們繪製整個宇宙地圖的工作才剛剛開始。」
這項研究還給我們提供了將來對宇宙網路進行探索的機會，毫無疑問，它將有利於詹姆斯·韋伯太空望遠鏡、阿塔卡馬宇宙天文望遠鏡、斯托克斯矢量Q/U參數宇宙微波背景輻射極化天文學成像實驗等下一代天文學觀測設備的研發和部署。幸運的話，這些新的天文學設備將能夠觀測到宇宙空間中的其餘失蹤物質。也許，我們將在不久的將來找到所有的不可見物質。
來源：https://phys.org/news
譯者：朱川
責編：鍾狼將
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