宇宙有三分之一的質量不知所蹤？它們的藏身之處終於被揭曉了

Credits: Illustration:Springel et al. (2005); Spectrum: NASA/CXC/CfA/Kovács et al.

為了找尋一種聽起來不太像會消失的東西，天文學家已經花費了好幾十年的時間，這種東西你大概不能想像，那就是宇宙中三分之一的「正常「物質。NASA 錢德拉 X 射線天文台 [ Chandra X-ray Observatory，NASA 於 1999 年發射的一顆X射線天文衛星，用於觀測天體的 X 射線輻射，是一種空基望遠鏡（space-based telescope），以下簡稱「錢德拉」 ] 或許能幫助我們解決這一難題，定位到這些遁形遠世的大量消失之物。

藉助相互獨立且得到公認已久的多次探測數據，科學家已經能準確地計算出大爆炸（Big Bang）發生後的一瞬間，宇宙到底有多少正常物質了（即氫、氦和其他元素的總量）。在宇宙產生最初的幾分鐘到大約十億年間，絕大部分正常物質都逐漸變成了星際塵埃、氣體，或是像恆星和行星這一類可以利用望遠鏡在如今的宇宙中被觀測到。

但問題是，當天文學家們把當今宇宙中所有的正常物質相加時，大概有三分之一的物質憑空消失了。 [ 這裡所說的物質與暗物質（dark matter）可不是一種物質，暗物質的神秘面紗仍未能被揭開。]

其中一個猜想就是，那些消失的物質會聚在一起，形成了一束束溫度較低（溫介質）和較高（熱介質）的巨型絲狀氣體，充盈在星系之間，溫度較低的絲狀氣體不高於 10 萬開爾文（約 9.97 萬攝氏度），溫度較高的則超過 10 萬開爾文。這些絲狀氣體被天文學家們稱為「星系際溫熱介質」（warm-hot intergalactic medium, WHIM），它們對可見光光學望遠鏡不可見，但天文學家已經在紫外光中觀測到了一些溫介質。

現在，基於錢德拉和其他望遠鏡的觀測數據，研究人員利用新的方法瞥見了 WHIM 的一角：他們找到了熱介質的線索，前所未有並且有據可循。

「如果找到了這三分之一消失的物質，我們就能解決天體物理學最大的謎團之一，」歐爾紹堯?科瓦奇（Orsolya Kovacs）說，「恆星、行星甚至我們人類都是由這些物質構成的，而宇宙究竟將它那麼多的正常物質藏在了哪裡呢？」科瓦奇現就職於馬薩諸塞州劍橋的哈佛史密松天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，CfA）。

天文學家利用錢德拉來探究分布在通往一個類星體（quasar）路徑上的溫介質，類星體是一種亮度極高的天體，能以 X 射線的形式發射出巨大的能量，其中心是快速增長的超大質量黑洞。這個類星體位於距離地球 35 億光年的地方，如果 WHIM 的熱介質成分與這些絲狀氣體有關，那麼來自類星體的一些 X 射線就會被熱介質吸收。因此天文學家在錢德拉探測到的類星體X射線中尋找熱介質的跡象。

這種方法有一個比較棘手的地方，那就是相比於來自類星體的 X 射線總量，WHIM 吸收的X 射線信號會弱一些。當在不同波長下搜索整個 X 射線光譜時，WHIM 這種微弱的實際吸收很難和背景雜訊區分開來。

通過將搜索集中在 X 射線光譜的某些部分，科瓦奇和她的團隊克服了上面的這個問題，減少了誤報的可能性。為了實現這種集中搜索，她們首先定位了到達這個類星體路徑周圍的一些特定星系，這些星系與地球間的距離和它們與紫外線數據中探測到的溫介質區域的距離相同。利用這項技術，她們鑒定出了 17 種可能存在於類星體和地球之間的絲狀氣體，並測得了它們與地球間的距離。

由於宇宙在膨脹過程中向外延伸的速度超越了光速，光子在通過擴張的空間時會被延展，因此這些絲狀物質對 X 射線的所有吸收波長都會變大，即產生宇宙學紅移（cosmological redshift）。紅移的量取決於我們到絲狀物質的已知距離，因此研究小組也就知道應該在光譜中的哪些位置來尋找 WHIM 吸收的 X 射線了。

「原則上，我們的技術類似於在非洲廣闊的平原上如何去有效地搜尋動物，」來自CfA的論文共同作者阿科什?波格丹（Akos Bogdan）說，「我們知道動物需要喝水，所以優先在水坑周圍找找是有道理的。」

在縮小搜索範圍的同時，研究人員還必須克服 X 射線的吸收比較模糊這一問題，為了解決這個問題，她們將鑒定出的 17 處絲狀物質的光譜疊加在一起，將實際上 5.5 天的觀測結果轉化成了意義上相當於 100 天的數據，從而增強了X 射線的吸收信號。利用這項技術，她們檢測到了氧氣，而這些氧氣的特徵表明它處於溫度約為100萬開爾文的氣體中。

由這些氧氣的觀測數據外推到全套的化學元素，再由所觀測的區域外推到局部宇宙，研究人員聲稱她們可以解釋迄今所有消失的正常物質；至少在現在這種特殊的情況下，消失的物質也就一直藏身於 WHIM 之中。

「能夠找到其中一些消失的正常物質讓我們激動不已，」同樣來自CfA的論文共同作者蘭德爾?史密斯（Randall Smith）說，「在未來，我們可以將同樣的方法應用到其他類星體數據中，讓這個一直以來困擾我們的不解之謎最終能被攻破。」

一篇涵蓋了這些研究結果的論文於 2019 年 2 月 13 日發表在《天體物理》（The Astrophysical Journal）上，可以在線查閱。

NASA 科學任務理事會的錢德拉項目由位於阿拉巴馬州亨茨維爾的 NASA 馬歇爾空間中心（Marshall Space Flight Center）負責管理，由位於馬薩諸塞州劍橋的史密松天體物理台（Smithsonian Astrophysical Observatory）控制操作。

參考

[1]:https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/where-is-the-universe-hiding-its-missing-mass.html

[2]:https://arxiv.org/abs/1812.04625

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