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星系際溫?zé)釟怏w的模擬（圖片來源：Wikipedia） 重子物質(zhì)（baryonic matter），也就是我們?nèi)粘Ｉ钪心芙佑|到的普通物質(zhì),，只占宇宙質(zhì)量的4.9%。但就算這4.9%,，也沒有全部被發(fā)現(xiàn)。不過,，事情最近有了一些轉(zhuǎn)機(jī),。法國天文學(xué)家終于直接觀測到星系際溫?zé)峤橘|(zhì)，這正是失蹤的重子物質(zhì)的可能成分,。 撰文 | 王昱 編輯 | 吳非 宇宙的質(zhì)量由重子物質(zhì),、暗物質(zhì)和暗能量這3大類構(gòu)成，三者分別大約占據(jù)宇宙質(zhì)量的4.9%,，26.8%和68.3%,。其中，暗物質(zhì)是不參與電磁相互作用的物質(zhì),，而暗能量是主導(dǎo)宇宙膨脹的能量,。相較于這些特性神奇,、至今仍未被我們找到的神秘組成部分，充斥在我們生活中的重子物質(zhì),，即普通物質(zhì),，則顯得平平無奇。 但是,，就算是這平平無奇的普通物質(zhì),，也有30%的質(zhì)量“丟失不見”了。 丟失的質(zhì)量 目前,，天文學(xué)家已經(jīng)通過兩種策略估算出重子物質(zhì)的質(zhì)量占比,。 第一種策略利用了宇宙微波背景輻射。根據(jù)含宇宙學(xué)常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型（Λ Cold Dark Matter model）對觀測到的宇宙微波背景輻射進(jìn)行推測,，可以得知重子物質(zhì)占宇宙質(zhì)量的4.9%,。 另一種則是對大爆炸核合成時核反應(yīng)的計算，預(yù)測重子物質(zhì)質(zhì)量占比,。在此之前,，由于大爆炸核合成階段的參數(shù)問題，兩種手段得出的重子物質(zhì)占比有些許差異,。而近日發(fā)表于《自然》雜志的一篇論文，根據(jù)在意大利的地下核天體物理實(shí)驗室獲得的大爆炸核合成時期的參數(shù),，修正了此前的計算,。由此，兩種方法得到的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一——兩種理論都告訴我們,，重子物質(zhì)質(zhì)量占宇宙質(zhì)量的4.9%,。 宇宙微波背景，可以根據(jù)它推測宇宙中重子物質(zhì)占比（圖片來源：NASA） 但是,，這4.9%中的30%卻無法通過觀測發(fā)現(xiàn),。這就是所謂的重子缺失問題（missing baryon problem）。 根據(jù)各類天體光度和質(zhì)量的比例（即光質(zhì)比）,，我們就能根據(jù)宇宙中不同來源的光來估計其對應(yīng)的質(zhì)量,。根據(jù)射電、光學(xué),、X射線等多波段觀測,，科學(xué)家已經(jīng)明確了光致電離氣體（photoionized gas）、星系際溫?zé)峤橘|(zhì)（WHIM,，warm-hot intergalactic medium）,、星系（galaxies）、星系周介質(zhì)（CGM,，circumgalactic medium）,、星系團(tuán)內(nèi)介質(zhì)（ICM,，Intracluster medium）、冷氣體（cold gas）這些重子物質(zhì)各自大致的質(zhì)量比,。 各類重子物質(zhì)所占比例,。其中，通過兩種方式觀測到的星系際溫?zé)嵛镔|(zhì)約占29%,，而另有29%的重子物質(zhì)尚不明確,。（圖片來源：Shull et al., 2012） 然而2017年之前，上述所有物質(zhì)加起來也只占到理論預(yù)測的70%,。剩余的30%就是丟失的重子物質(zhì),。考慮到觀測條件的限制,，科學(xué)家認(rèn)為丟失的質(zhì)量最可能存在星系際溫?zé)峤橘|(zhì)里,。也就是說，對于星系際溫?zé)峤橘|(zhì)的質(zhì)量估計可能太過于保守,。 宇宙中有一張由纖維狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),。其中，星系就坐落在這張網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上,，而連接這些節(jié)點(diǎn)的,，就是彌散在宇宙中的星系際溫?zé)峤橘|(zhì)。這種絲線狀的物質(zhì)是溫度105~107K的等離子體,，其分布非常稀疏,，溫度難以被X射線望遠(yuǎn)鏡探測到，因此當(dāng)時沒人能直接觀測到這種氣體,。 倫敦大學(xué)學(xué)院的理查德·埃利斯（Richard Ellis）曾說過：“我們已經(jīng)發(fā)明的儀器中沒有能直接觀察到這種氣體的,，迄今為止，這種氣體的存在仍然是一種猜想,?！?/p> 浮出水面 2017年，兩組科學(xué)家分別表示,，他們找到了分布在宇宙纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的星系際溫?zé)峤橘|(zhì),。 由于難以直接觀測，科學(xué)家轉(zhuǎn)而使用SZ效應(yīng)（Sunyaev-Zel'dovich effect）間接尋找星系際溫?zé)峤橘|(zhì),。SZ效應(yīng)是指,，宇宙微波背景輻射的光子在和宇宙中的高能電子碰撞，即逆康普頓散射（Inverse Compton scattering）,，使光子獲得能量,，從而改變光子能量分布。當(dāng)宇宙微波背景輻射穿過星系際溫?zé)峤橘|(zhì)時,，同樣也會發(fā)生這樣的效應(yīng),。 兩個團(tuán)隊在斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）的觀測結(jié)果中選擇了超過100萬對星系,。他們將星系對之間區(qū)域中，由普朗克衛(wèi)星測得的宇宙微波背景輻射信號堆疊起來,，使微弱的信號起伏可以被識別,。隨后，他們利用SZ效應(yīng)對這一信號進(jìn)行計算,，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域的物質(zhì)密度比其他地方高,，其質(zhì)量足以形成纖維結(jié)構(gòu)，從而間接發(fā)現(xiàn)了星系際溫?zé)峤橘|(zhì),。 而近日,，參與了上述研究的兩組團(tuán)隊之一——巴黎薩克雷大學(xué)空間天體物理研究中心的研究團(tuán)隊，終于在X射線波段直接找到了星系際溫?zé)峤橘|(zhì),。 他們選擇了15165條已經(jīng)在斯隆數(shù)字巡天中得到確認(rèn)的大型宇宙纖維結(jié)構(gòu),，再將倫琴衛(wèi)星（ROSAT，30年前發(fā)射）得到的X射線信號堆疊起來,，最終發(fā)現(xiàn)纖維位置和X射線的空間分布存在相關(guān)性,。也就是說，他們檢測到了來自宇宙網(wǎng)中熱氣體的X射線,，并測得其溫度約為3×10?K,。 首次直接觀測到星系際溫?zé)峤橘|(zhì)的結(jié)果，使得天文學(xué)家有望在將來開展更精細(xì)的探測,。去年發(fā)射的倫琴衛(wèi)星的繼任者——eROSITA——也會提供精度更高的觀測數(shù)據(jù),。伴隨著進(jìn)一步的探測，人們將能夠?qū)π窍惦H溫?zé)峤橘|(zhì)進(jìn)行更加直接,、精細(xì)的觀測。屆時,，星系際溫?zé)峤橘|(zhì)的含量或?qū)⒈桓膶?，而那些失蹤的重子物質(zhì)也可能最終露出真容。 參考材料： https://www./articles/aa/abs/2016/10/aa25830-15/aa25830-15.html https://astronomy./cosmos/B/Baryonic+Matter https://www./articles/s41586-020-2878-4 https://iopscience./article/10.1088/0004-637X/759/1/23 https://www./article/2149742-half-the-universes-missing-matter-has-just-been-finally-found/ https://www./articles/aa/abs/2020/11/aa38521-20/aa38521-20.html |
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