天文界傳來振奮消息,找到缺失在宇宙一角的重子物質

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 16 日 17:16 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

根據現有的宇宙學模型來看,宇宙中可被觀測到的常規物質(即重子物質)理論上應該佔有 4.9%,但這些構成恆星、行星、星際塵埃和氣體的普通原子在過去仍有將近一半的量常年下落不明,被稱為「失蹤重子」。如今,來自兩個不同機構的研究團隊都歡呼,這些一直躲藏在宇宙一角的重子物質可能被找到了,它們就存在於星系間瀰漫雲的絲狀結構裡。



如果你有怎麼找都找不到鑰匙的經驗,那你一定可以體會天文學家的痛苦。暗物質從未被科學家直接觀測到,暗能量是種完全神祕的存在,但就連宇宙中有形的重子物質至今都有將近一半的量行蹤成謎,這真是一個令人尷尬的局面。根據 ΛCDM 模型,由普朗克衛星探測的數據表明,整個宇宙的構成中,常規物質(即重子物質)佔 4.9%,暗物質佔 26.8%,另外 68.3% 則充斥著暗能量(質能等價)。其中,暗物質的存在可以解決大爆炸理論中的不自洽性(inconsistency),對宇宙結構的解謎佔有最關鍵地位。

不過,先別管暗物質了,最普通的失蹤重子到底躲在哪兒?來自英國愛丁堡大學和法國奧賽太空天文物理研究所( Institute of Space Astrophysics,縮寫 IAS)的團隊相繼宣布找到了失蹤重子躲藏地點的間接證據,它們就懸浮在稱為熱星際介質(warm-hot intergalactic matter,縮寫 WHIM)的超薄細絲結構裡,像宇宙網路一樣連接著各星系團簇。

宇宙 38 萬歲時形成了中立原子,數億年後,來自早期恆星的紫外線照射了這些星際原子,結果光子被吸收,並從原子中踢出電子而產生星際間等離子體,也就是熱星際介質。長期以來,熱星際介質由於太過微弱單薄,幾乎無法被發現(難以用地球上的 X 射線望遠鏡進行檢測),但天文學家相信其中一定包含了 40%~50% 的重子。

▲ 熱星際介質意象圖。(Source:By I am not sure [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons

為了解決這問題,兩組團隊都利用了稱為「蘇尼阿耶夫-澤爾多維奇效應」(Sunyaev-Zel’dovich effect,簡稱 SZ 效應)的物理現象來觀察,當來自宇宙大爆炸後的宇宙背景輻射(CBR)光子通過熱等離子體時,後者會增加能量來捕獲前者,也就是說,平常難以被發現的熱星際介質此時可以顯出朦朧輪廓。

只有繪製了整個宇宙微波背景輻射地圖的歐洲太空總署(ESA)普朗克衛星,有機會發現這些朦朧的熱星際介質。但就算 SZ 效應存在,它也微弱到無法讓熱星際介質在地圖上顯現出來,因此,兩個團隊將可能必須被熱星際介質連接的星系圖像合併堆疊,IAS 團隊堆了 26 萬對星系,愛丁堡大學團隊則堆了超過 100 萬對星系,好讓熱星際介質變得顯而易見。

兩個團隊的研究結果是相似的,宇宙網中有些物質密度比宇宙平均物質密度還要高出 6 倍,足以形成熱星際介質,補足失蹤的重子物質。哈佛-史密松天體物理中心專家拉夫·卡夫(Ralph Kraft)說:「科學家都知道重子必須存在熱星際介質裡,但這是第一次有人(且是兩個不同的研究團隊)提出證據確鑿的檢測。」

這些發現將能提高科學家對宇宙大爆炸後星系形成、宇宙的結構等認知,雖然我們只是發現宇宙中不到 5% 的失蹤重子物質而已,90% 以上的暗物質與暗能量還完全未知。直到我們發現前,宇宙永遠不會被透明化。

(首圖來源:pixabay)