宇宙最後一批 「失蹤」的普通物質現身

科學家很早就通過計算髮現，宇宙中質量僅5%為普通物質，其餘為暗物質或暗能量。但就是這5%中，也有很大部分未被直接觀測到。這些普通物質，或者稱之為重子，到底去哪兒了？

近日《自然》雜誌報道一項研究成果顯示，通過X射線段對遙遠天體的觀測，發現了它們的蹤跡。上述研究顯示，這些「失蹤的重子」藏身於星際空間中纖維狀「網」中，幾不可見。那麼，科學家是如何發現它們的？這次成果完全解決了「失蹤的重子」之謎嗎？

南方日報駐京記者 王詩堃 策劃統籌 張志超

失蹤的普通物質去哪兒了？

按照科學界的普遍觀點，我們的宇宙約5%是由質子和中子（它們也稱重子）以及電子這些普通物質構成，其餘大部分剩下由暗物質（23%）和暗能量（72%）組成。

對於暗物質的探索，似已看到曙光：去年，《自然》雜誌報道了我國暗物質粒子探測衛星「悟空」的首批探測成果，其測量到電子宇宙射線能譜在1.4萬億電子伏特(TeV)能量處的一個「拐折」，或是暗物質存在的證據。像PandaX（熊貓計劃）等暗物質地下直接探測實驗也在進行中。

對於暗能量的存在，科學家通過超新星、宇宙微波背景輻射觀測和重子聲波振蕩信號測量等多個方式，基本得以間接證實。

但在研究成果不斷出現的同時，另一方面，我們對宇宙的秘密仍然所知甚少。普通物質占宇宙總物質的5%左右，是基於對早期宇宙的一系列觀測所得出的結論。這些觀測包括宇宙大爆炸後的核合成、宇宙微波背景輻射，以及對於早期宇宙的萊曼森林吸收線觀測所得。

在1998年的一篇經典論文里，美國普林斯頓高等學術研究所和日本東京大學的研究人員發現，將所有能觀測到的重子物質加在一起，所觀測的重子物質只有早期宇宙的一半左右。換言之，有高達一半的物質未能找到，這也就是著名的「失蹤的重子」問題，也是在最近一二十年國際天文研究的熱點之一。

近年來，一系列的理論研究和數值模擬計算表明，除了少部分組成星系和星系團介質的重子，絕大多數宇宙中的重子存在於星系際介質中。星系際介質追蹤了冷暗物質的大尺度結構，是星系、恆星、行星，以及最終所有生命的形成的最原始材料。

廈門大學天文學系教授方陶陶從事相關領域的研究。他解讀這一問題時表示，按目前的標準宇宙學模型，在早期宇宙中，星系際介質分布比較均勻；隨著時間的演化，形成了大尺度結構的「宇宙網」（Cosmic Web）。

方陶陶表示，將我們在銀河系和星系團周邊看到的所有恆星、行星、揚塵和氣體都算進來，只有約18%的普通物質被觀察到；再加上組成「宇宙網」的氣體，又有大約43%；但是還有大約40%的「普通物質」，或者說「重子」處於「失蹤」狀態，「而根據多相氣體冷卻模型(multi—phase cooling)，大量低密度、高溫氣體（約為幾百萬攝氏度）存在於星系的外圍。『丟失的重子』正是存在於比較熱而又稀薄的星系際介質中。」

中國科學院國家天文台研究員陳學雷告訴南方日報記者，科學界目前對上述猜想並沒有太大的爭議。只不過，觀測上要證實這種猜想比較困難。「如果觀測能夠證明這種猜想，那就進一步證實我們現有的宇宙演化圖景是正確的。反之，如果一直找不到，那就說明我們對宇宙演化的理解有重大疏漏。」陳學雷說。

遙遠的黑洞「照亮」「失蹤的重子」

6月20日，發表在《自然》雜誌上的論文報道了「失蹤的重子」的新線索。該論文由義大利國立天文研究所(INAF)和哈佛—史密森尼天體物理中心的天文學家尼卡斯特羅(Fabrizio Nicasto)牽頭。

論文再次證實了上述的猜測：失蹤的重子一直躲在星際間稀薄熾熱的氧氣雲中。論文合著者、科羅拉多大學博爾德分校的天文學家、論文合著者沙爾（J.M.Shull）表示：「我們在氧氣團內找到了失蹤的重子。這些氧氣團纖薄且熾熱，高度電離——失去了大部分電子，帶強正電荷。」

隨上述論文發表的，還有方陶陶教授的相關評述文章。文章指出，宇宙的大尺度結構物質分布類似於一張巨大的蜘蛛網，在節點處存在由成千上萬個星系所構成的星系團，而失蹤的重子物質則存在於連接這些節點的纖維狀結構上。

為什麼這些失蹤的重子物質很難探測到？方陶陶認為，主要有兩方面原因：一是由於纖維狀結構中的重子物質密度極低，是銀河系內星際介質密度的百萬到千萬分之一；二是高溫使占宇宙中最豐富的元素——氫被完全電離，從而很難用光譜的方法探測到。

所以在這種情況下，一個較為有效的方法就是利用存在於纖維狀結構中丰度相對較低的重元素——比如氧：氧元素在相同的高溫下，其離子還存在一兩個電子，可以在紫外線和X射線波段產生強度極弱的光譜。

在這方面，包括方陶陶和國際上一些其他團隊，在二十一世紀初做出了一系列卓有成效的工作。他們主要利用一些大型的空間望遠鏡，比如NASA的哈勃望遠鏡和錢德拉X射線望遠鏡、歐空局的XMM—牛頓望遠鏡，進行了大量的空間紫外線和X射線的觀測。這些觀測一般利用遙遠的、極亮的天體作為輻射源，如果在視線方向上有電離雲存在，就能探測到氧的吸收線。

這些早期工作證明了上述方法的有效性，並揭示了失蹤重子存在的初始證據。

上述尼卡斯特羅的論文也正是採用了類似方法。他們利用XMM—牛頓X射線望遠鏡觀測名為1ES 1553+113的極亮蠍虎天體（BL Lacertae），累計觀測時長175萬秒（約20天）。這個天體的中心存在超大質量的黑洞，在一段時間內會變得極其明亮，從而可以作為尋找前景吸收極好的背景源。觀測過程中，研究人員在累加的光譜中找到紅移分別為0.43（距離我們約78億光年）和0.36（距離約63億光年）氧離子的吸收線系統，從而認為找到了部分失蹤重子的去向。

方陶陶指出，尼卡斯特羅等人工作的重要性在於其探測的統計顯著性較以前有明顯提高；而且在紅移0.43處的吸收系統，氧離子處在不同能級處的兩條吸收線同時探測到還是第一次。

陳學雷也評價稱，這次探測的信號更為顯著，在一條視線上探測到了兩處不同紅移產生的吸收線，證實這種吸收體存在比較普遍，因此更增強了對這一解釋的信心。

現有設備已達極限，下一代X射線望遠鏡肩負使命

方陶陶也認為，由於上述蠍虎天體距我們的距離並不十分明確，不能排除紅移0.43處的吸收系統起源於該蠍虎天體自身的可能性。同時，這些吸收線系統也有可能起源位於視線方向的個別星系，而不是位於星系外的纖維狀結構。這些都有待於今後的觀測來進一步證實。

方陶陶特別指出，尼卡斯特羅累計時長達175萬秒觀測時間，從側面反映出，尋找失蹤重子的工作已經達到了人類現有望遠鏡的極限。在未來，包括我國的「宇宙熱重子探尋望遠鏡」（Hot Universe Baryon Surveyor）、歐空局「雅典娜」望眼鏡等下一代設備，將配備更靈敏的X射線光譜儀，有望測繪出完整的宇宙重子分布。

特別是，上述「宇宙熱重子探尋望遠鏡」已經被納入國防科工局「發現極端宇宙」的空間科學三步曲戰略部署，將有望在尋找「失蹤的重子」方面取得重大進展。

此外，方陶陶還提到，另一種探測「失蹤的重子」的方法是利用一種被稱為「桑亞弗—捷爾多維奇效應」（Sunyaev—Zel』dovich effect）的現象——大爆炸後留下的光在穿過熱氣體時，會「灑下」一些電子到氣體中，造成畸變，從而在宇宙微波背景輻射中留下「蛛絲馬跡」。

陳學雷也表示，科學研究往往還要用多種不同的手段進行交叉驗證，因此未來還有可能使用其它手段來追蹤這些「失蹤的重子」。

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