宇宙中“失蹤”的普通物質藏在哪里？

失蹤的普通物質

宇宙中絕大多數可觀測的普通物質都由重子構成。重子是一類亞原子粒子，包括質子和中子，原子的大部分質量正是由它們貢獻的。

幾十年來，當天文學家把能觀測到的普通物質加起來時，卻發現還有大量普通物質下落不明。那么，那些“失蹤”的普通物質究竟去了哪里？科學家認為，很可能就分布在星系之間的空間中！

但是，宇宙極其廣闊，其余的普通物質可能以極低的密度存在——每立方米大約只有一個質子，因此極難探測。近年來，科學家發現，快速射電暴或許能幫助我們追蹤這些失蹤的物質。

在一項新發表于《物理評論快報》的研究中，一個國際研究團隊開發了一種新方法：將星系的位置與快速射電暴的觀測結果結了合起來，揭示了廣闊星系際空間中的失蹤物質。總體而言，研究發現，星系越密集的地方，其周圍往往也存在越多的失蹤物質。

用快速射電暴尋找物質

快速射電暴是一種極其明亮、僅持續幾毫秒的射電脈沖。自2007年首次被發現后，天文學家已經探測到數千個這種神秘而短暫的信號。

快速射電暴之所以非常適合探測失蹤物質，是因為它們具有一種特殊性質：它們發出時原本是一次極其短促的閃光，但在穿過物質的過程中，不同頻率的射電波會產生不同的傳播延遲，從而在時間上逐漸被拉開。我們可以非常精確地測量這種色散造成的時間延遲，而它與快速射電暴沿途穿過的失蹤物質數量直接成正比。

此前，研究人員已經利用快速射電暴不同頻率成分之間的色散延遲，探測星系周圍難以直接觀測的重子物質。這些研究已經證實，在廣闊的星系際空間中確實存在稀薄的氣體云。

繪制失蹤物質地圖

在新的研究中，研究團隊希望更進一步。他們不僅想確定星系周圍是否存在這些氣體，還希望描繪失蹤物質圍繞星系的空間分布。通過將數千個快速射電暴的測量結果與數百萬個星系的位置進行交叉關聯，他們繪制了星系周圍失蹤物質的空間形態。

研究所使用的數據來自加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）和暗能量光譜儀（DESI）巡天這兩個觀測項目。CHIME是一座位于加拿大的大型射電望遠鏡，設計目標是掃描整個北部天空，搜尋來自宇宙的射電波。該望遠鏡對持續時間極短、亮度極高的射電信號十分靈敏。自開始觀測以來，CHIME已經在天空中探測到大約4000個快速射電暴。DESI安裝在美國基特峰國家天文臺的梅奧爾望遠鏡上。它對超過3000萬個星系發出的光進行精細測量，以幫助估算暗能量的性質。暗能量是一種推動宇宙加速膨脹的神秘力量。

研究人員從CHIME的探測目錄中選取并分析了2870個快速射電暴信號，每個信號都是一次包含多個波長、覆蓋不同頻率的射電波爆發。高頻信號較少受到沿途物質的影響，因此會先抵達探測器；低頻信號則受到更明顯的色散延遲，因此會更晚到達。

快速射電暴信號在天空中的空間分布（上），與星系的空間分布（下）對比。研究發現，這兩種分布之間存在顯著相關性，從而揭示了宇宙中失蹤的重子物質。（圖/Haochen Wang）

研究團隊測量了每個快速射電暴不同頻率成分之間的色散延遲，并據此推算信號在抵達CHIME探測器前沿途穿過了多少物質。隨后，他們將這些測量結果與DESI數據所提供的600多萬個星系的位置進行交叉關聯。通過這種方法，他們可以尋找失蹤物質與星系之間的空間關聯，并測量失蹤物質相對于星系如何分布。

星系噴泉

分析結果揭示出一種清晰的分布模式：失蹤的重子物質往往出現在星系和星系團周圍。但它們并不是以致密球狀結構聚集在星系附近，而是分散在一個很大的半徑范圍內，仿佛一團向外彌散的云霧。

研究結果支持了這樣一種觀點：黑洞噴流、恒星爆發，以及星系內部其他高能過程，會將物質拋射到星系之外。更重要的是，研究表明，這些過程釋放的能量可能比科學家此前認為的更強。

星系（圖中的白點）周圍的模擬氣體分布（藍色、綠色和黃色區域）。研究發現，真實宇宙中的氣體向外延伸得比大多數模擬預測的更遠，這表明星系內部存在強烈活動，將氣體從星系群附近向外驅逐。（圖/IllustrisTNG）

這意味著，星系內部的活動比原先設想的更為復雜和混亂。研究人員解釋道，星系更像一座座噴泉，能夠把氣體真正推送到非常遙遠的地方。一個星系的直徑通常只有幾十萬光年，但研究人員在距離星系約400萬光年的范圍內仍然發現了失蹤物質。這比模擬所預測的距離遠了很多。

一種新的宇宙物質探針

這項新研究表明，快速射電暴可以成為尋找失蹤物質的一種可靠方法，它不僅能夠判斷失蹤物質是否存在，還能夠確定它們分布在哪里。

繪制失蹤物質的分布形態，有助于理解星系如何形成，以及它們如何與周圍環境相互作用。研究團隊表示，隨著CHIME繼續探測到更多快速射電暴，這種方法的精度還將不斷提高。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/missing-matter-diffuse-puffs-surround-most-galaxies-0721

https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/chime-collaboration-helps-identify-location-missing-matter-universe-373578

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/9th9-qc51

#圖片來源：

封面圖&首圖：IllustrisTNG via MIT News