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宇宙原子失踪之谜被破解:一半普通物质都藏身于此

时间: 2017年10月24日 | 作者: Leah Crane | 来源: Newscientist
天文学家观测到了了连接在星系之间的丝状弥散气体。

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宇宙由约70%的暗能量、23%的暗物质和4.6%的普通物质,或者说重子物质所构成。你可能听说过科学家们正在寻找暗物质,一种弥漫在整个宇宙中神秘物质。各国研究人员动用了各种大型探测设备,至今仍未找到它的踪影。但实际上,即使对于普通物质,我们也没有完全掌握其踪迹——根据我们的宇宙模型,宇宙中有近一半的普通物质还没有被探测到。

 

近日,两个独立的小组分别发现了这些失踪的重子。它们通过丝线状的,热的弥散气体将星系联系起来。这种物质被称为温热星系际物质(warm-hot intergalactic matter)。

 

“消失的重子的问题被解决了,”法国奥尔赛空间天体研究所(Institute of Space Astrophysics)的Hideki Tanimura说道。他领导了其中一个小组。另一个小组则由英国爱丁堡大学(University of Edinburgh)的Anna de Graaff领导。两个小组的研究结果均已发表在预印本网站arXiv上。

 

因为这种气体非常稀薄,且温度不足以被X射线望远镜探测到,因此在此之前没有人观测到这种气体。

 

“没有什么最佳观测点,我们已经发明的仪器中没有能直接观察到这种气体的,”伦敦大学学院(University College London)的Richard Ellis说,“迄今为止,这种气体的存在仍然是一种猜想。”

 

因此,这两个小组需要寻找另外方法来确定这些丝状的气体是否真实存在。

 

两个团队都利用了“苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应(Sunyaev-Zel’dovich effect,简称SZ效应)。这种效应在宇宙大爆炸留下的光(也就是宇宙微波背景辐射)通过热气体的时候发生。在宇宙膨胀的过程中,宇宙微波背景辐射中的光子波长变长,且冷却到接近绝对零度。当这种光子与电子发生碰撞,它们重新获得能量,波长会小幅地变短,这会在宇宙微波背景辐射上留下一个昏暗的斑点。

 

2015年,普朗克卫星绘制了一幅可观测宇宙内的宇宙微波背景辐射图。因为这些星系之间的卷须状气体是如此的分散,它们造成的昏暗的斑点很难直接从图像上看到。

 

两个团队利用斯隆数字巡天(Sloan Digital SkySurvey)选择了超过100万对星系,这些星系被认为可能由重子连接,且星系间的距离基本相同。研究人员将星系对之间区域的普朗克信号堆叠起来,把微弱的信号变成了可以观察到的丝线。

 

Tanimura的团队将26万对星系的数据堆叠起来,de Graaff的小组则利用了超过100万对星系的数据。两个团队都找到了明确的证据来证明,星系之间的确有线状的气体。Tanimura的小组发现,这些物质比宇宙中普通物质的密度高三倍,de Graaf的小组则提出这些物质比普通物质的密度高六倍。这证明在这些区域内的物质的密度足以构成细线。

 

“两项研究得出的数据有所差异,这是在我们意料之中的,因为我们在研究不同间距的线”,Tanimura说,“如果将这个因素考虑在内,我们和另一个组的研究结果非常一致。”

 

最终,这些几十年来一直存在于模型中的重子终于被找到,我们对宇宙的一些假设也得到证实。

 

“所有人都在某种程度上相信那些消失的物质肯定存在,但这是第一次有人确切探测到它们。”来自美国马萨诸塞州哈佛-史密松森天体物理中心的Ralph Kraft说,“在证明星系以及星系间的结构如何形成的道路上,这是一个很大的进步。”

 

也有一些专家对研究结果持保留意见。“他们做出的一些假设令我困扰,”科罗拉多大学博尔德分校的天文学家J. Michael Shull说,“他们假设线状的气体恰好分布在两个星系之间的视线上,这可能并不正确”。他补充到,物质更可能以一种更复杂的3D结构分布于星系间。

 

撰文 Leah Crane

翻译 戴晨

审校 吴非

 

原文链接:https://www.newscientist.com/article/2149742-half-the-universes-missing-matter-has-just-been-finally-found/


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