20年了，科學家們終於找到了宇宙中「失蹤」的那些物質

宇宙很會玩捉迷藏的遊戲，有時候儘管天文學家對自己獵物的藏身之處已有預感，往往也要花數十年的時間進行搜尋才能最終確認。宇宙失蹤物質的懸案便是一例，而這個案子現在似乎已經了結。在我看來，這是一個引人入勝的故事，富有智慧的宇宙模型繪製了一幅藏寶圖，而科學家足足探索了20年才找到寶藏所在。

早在上世紀80年代，科學家已經知道他們只能觀測到宇宙中原子物質（或重子）的九牛一毛（如今我們知道，所有重子加在一起只佔到宇宙中全部物質的5%左右，其餘的由暗能量和暗物質構成）。科學家知道，如果他們把宇宙中所有可被觀測到的東西（大多是恆星和星系）加在一起，這個總和根本占不到理論當中的5%——也就是說，大部分的重子都失蹤了。

對宇宙大尺度結構的模擬揭示了宇宙中失蹤物質的藏身位置。

但是，究竟有多少物質失蹤不見了，以及它們可能隱藏在什麼地方，這些問題在上世紀90年代開始變得尖銳起來。當時，加州大學聖迭戈分校（UCSD）的天文學家大衛·泰特勒（David Tytler）提出了一種利用夏威夷凱克望遠鏡新光譜儀測量遙遠類星體中氘含量的方法——類星體是星系的明亮核心，其中心位置存在活躍的黑洞。泰特勒的數據幫助研究人員了解到，在把所有可見的恆星和氣體計算在內之後，宇宙中究竟有多少重子失蹤不見了：高達90%。

這些研究成果引起了激烈的爭議，而泰特勒的個性在某種程度上起到了推波助瀾的作用。「他（堅稱）自己是對的，儘管在當時有很多看似矛盾的證據，而且他說其他所有人都是搞不清狀況的笨蛋，」愛丁堡大學（University of Edinburgh）的天文學家羅梅爾·戴夫（Romeel Dave）說，「當然了，事實證明，他是對的。」

然後在1998年，普林斯頓大學（Princeton University）的天體物理學家耶利米·歐斯垂克（Jeremiah Ostriker）和岑仁岳（Renyue Cen，音）發布了一個開創性的宇宙模型，它追蹤了宇宙從始至今的歷史。該模型表明，失蹤的重子可能以當時無法檢測到的氣體形式瀰漫四散，飄蕩在星系中間。

碰巧的是，戴夫本可以擊敗歐斯垂克和岑仁岳，成為第一個發現失蹤重子的人。在後兩者發表論文的數月之前，戴夫完成了自己的整套宇宙模擬，這是他在加州大學聖克魯茲分校（UCSC）攻讀博士學位的部分研究工作。他關於重子分布的論文提出，這些失蹤的物質可能潛伏在星系之間溫熱的等離子體當中。「我那時候沒有重視得出的結果，」戴夫說，「好吧，人不可能事事成功。」

在之後的幾年裡，戴夫繼續研究這個問題。他設想，失蹤的物質隱藏在鬼魅的氣體絲線中，正是這些炙熱、分散的氣體將星系對連接在一起。用天文學的術語來說，這是「溫-熱星系際介質」（warm-hot intergalactic medium，簡稱WHIM），該術語由戴夫創造。

很多天文學家繼續推測，星系外層空間可能存在著一些非常微弱的恆星，它們可能就是那些失蹤物質的重要組成部分。但經過多年的搜尋後，科學家發現，即使把最微弱的恆星計算在內，宇宙恆星重子的總量僅占理論值的不到20%。

越來越多複雜精密的儀器開始上線工作。2003年，威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）測量了宇宙大爆炸後38萬年左右時的重子密度。事實證明，測量結果跟宇宙模型所提出的密度相符。十年後，普朗克衛星證實了這一數值的正確性。

科學家努力尋找可能構成那些失蹤物質的恆星和星系，但遭遇了失敗，在這種情況下，「注意力轉向星系之間的氣體，也就是分布在低密度星系際空間、跨越數十億光年的星系際介質，」來自科羅拉多大學博爾德分校（CU Boulder）的天體物理學家邁克爾·沙爾（Michael Shull）說道。他和他的團隊通過研究WHIM對遙遠類星體光線所產生的作用來搜尋這種物質。氫、氦和其他更重元素（比如氧）的原子可以吸收這些類星體輻射出的紫外線和X射線。氣體「從光束中偷走了一部分光線。」沙爾說道，從而在光束中留下了一個缺口，也就是一條吸收譜線。找到這些譜線，我們就能找到氣體。

氫和電離氧最顯著的吸收譜線波長非常短，在光譜上落在紫外線和X射線的區域。對天文學家來說不幸的是，地球大氣層將這些射線隔絕在外，不過這對地球上其他生命來說卻是大幸。天文學家將X射線衛星發射到太空，在一定程度上就是為了解決失蹤物質的問題，他們利用衛星對光線進行測繪。沙爾表示，通過這種吸收譜線法，科學家最終「找到了理論中誕生自宇宙大爆炸的絕大部分重子，如果說還不是全部的話。」

其他研究團隊採取了不同的方法，以間接地尋找那些失蹤的重子。包括沙爾在內的三支團隊都表示，他們找到了宇宙中所有的重子。

然而，WHIM太過微弱和分散，我們很難蓋棺定論。「多年來，研究人員之間進行了很多交流，對於可能檢測到WHIM，他們有的支持，有的反對，」巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所（STSI）的所長肯尼斯·森巴赫（Kenneth Sembach）說，「我覺得會有更多這樣的學術交流，最近發表的論文似乎是這個複雜而有趣的宇宙謎題的新篇章，我相信會有更多的論文發表，也會有更多人討論如何把這些碎片拼湊在一起。」

翻譯：何無魚

編輯：李莉

來源：Quanta Magazine

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