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宇宙中“失踪”的另一半可观测物质找到了! _天文·地理 _光明网

日期:2017年10月12日 14:10   来源:新浪科技   作者:晨风

这是利用超级计算机模拟得到的“宇宙网络”示意图。可以看到星系和星系团几乎都“粘附”在这张巨大的时空网络上 

  这是利用超级计算机模拟得到的“宇宙网络”示意图。可以看到星系和星系团几乎都“粘附”在这张巨大的时空网络上。

  据《科学》杂志网站报道,宇宙中“失踪”的另一半可观测物质似乎终于被两个国际研究小组找到了。

  这消息具体是怎么一回事?

  如果你有过到处都找不到你家钥匙的经历,你或许可以更好的理解天文学家们的感受。根据现有的宇宙学模型,宇宙中的物质似乎少了将近一半,而多年来,科学家们一直找不到那失踪的一半原子。而现在,借助来自早期宇宙的辐射,科学家们终于找到了这失踪的一半物质,其原理就像是一束照亮了飘动的烟雾。这一发现加深了我们对于宇宙随时间演化理论的认识。

  宇宙学家们能够通过理论计算估算出在宇宙大爆炸后20分钟内产生出了多少数量的氢原子和氦原子。这一数字得到针对大爆炸的余晖——也就是所谓“宇宙微波背景辐射“(CMB)研究的支持,这些研究结果表明,宇宙是由大约70%的暗能量,23%的暗物质以及大约4.6的普通物质,也就是所谓的“重子物质”组成的。然而,即便是在这4.6%的普通物质中,我们通过对宇宙的观测,发现所有星系和恒星加在一起,只能解释普通物质中的10%左右。即便加上其他各种物质成分,无论如何估算,也都只能占到理论上估算的普通物质数量的一半不到。

  美国普林斯顿大学的天文学家岑仁月(音译:Renyue Cen)对媒体表示:“你可以想象,这种局面挺尴尬的。”他本人并未参与这项工作。他说:“你看,暗能量我们一无所知,暗物质我们同样一无所知,在仅剩的不到5%的普通物质里竟然还有一大半是失踪的。”

  不过,科学家们认为他们知道这些失踪的重子物质在哪里。标准宇宙模型是一个描述宇宙演化与整体变化的物理学模型,该模型认为宇宙中充斥着巨量的暗能量,而星系则“镶嵌”在一个巨大的宇宙网状结构中。科学家们猜想此前失踪的那些原子应该就隐藏在星系之间弥散的高度电离的气体物质中,也就是所谓的“温热星系际物质”(WHIM)。这种物质温度可以达到数百万K,在X射线波段会发出辐射。但由于其密度极低,对其进行观测将是极为困难的。利用能够观测紫外辐射的天文学设备,比如哈勃空间望远镜进行观测,天文学家们能够找到了足够数量的WHIM物质,足以解释失踪重子物质中的50%~70%。但即便如此,仍然有一部分重子物质“下落不明”。

  在近期完成的这项最新研究中,来自英国爱丁堡大学的研究小组尝试利用一种完全不同的“照明手段”来寻找弥漫在宇宙网状时空脉络之中的WHIM物质,他们选择的照明手段是宇宙微波辐射(CMB)。随着宇宙膨胀,CMB中的光子波长被拉升并冷却到温度仅有绝对零度以上几度的低温。当这些光子击中宇宙网络结构中的电子时,它们会获得能量,它们的波长也随之稍稍变短,这就是所谓“苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应”(SZ效应)。因此,通过对SZ效应的观测,研究人员可以在宇宙网状脉络中搜寻其中隐藏的WHIM物质。

  但是,SZ效应极为微弱,其对光子的波长缩短效应一般在千万分之一的水平上。因此,为了获取足够显著的信号,天文学家们选取了美国斯隆数字巡天项目中记录的100万对星系作为研究样本,并且所有这些星系两两之间隔开的距离都大致相同。随后科学家们将它们的图像进行叠加处理。这样一来,科学家们将能够从图像中识别出微弱的SZ效应,从而估算对光子波长造成某一程度影响的高温重子物质的数量。研究组于9月29日在论文预印本网站arXiv上上传了相关研究论文。

  研究结果显示,宇宙网络中的物质密度要比宇宙平均物质密度高出6倍,足以补上剩余缺失的那30%重子物质。而另一个独立团队在今年9月15日上传到论文预印本网站arXiv上的一篇论文中,同样运用SZ效应,对宇宙中超过26对星系进行了研究,也得到了与之相似的结果。

  不过,也有一部分专家对于这一结果持有保留意见。比如美国科罗拉多大学波尔多分校的天文学家米歇尔·沙尔(J。 Michael Shull)指出:“这一研究中所作的一些假设条件让我有些疑虑。比如说作者假定宇宙网络中的所有气体都是在两个星系之间的视线方向上分布的,我想事实情况恐怕并非如此。”他指出,一个更加复杂的三维立体分布模型或许会更加符合现实。

  或许,我们还要等到下一代更加先进强大的空间X射线望远镜升空之后,才能最终揭开这个谜题的答案。而一旦运用先进X射线望远镜找到了全部的失踪重子物质,我们则可以利用SZ效应观测来检验这项发现。

【责任编辑:暖之】

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