宇宙中消失的物質到底在哪裡？

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作者：Katia Moskvitch

翻譯：loulou

審校：Aprilis

「在過去20年里天文學家已經知道宇宙失蹤的物質一直隱藏在哪裡。那麼, 為什麼要花這麼長時間才能找到它呢？」

宇宙喜歡和我們玩捉迷藏的遊戲。有時候, 即使天文學家對獵物可能藏身的地方有預感, 它也需要數十年的時間才能被證實。對我來說, 最引人入勝的是絕妙的宇宙模型繪製了一個花費20年時間來探索的尋寶地圖。

科學家們早在二十世紀八十年代就知道, 他們只能觀察宇宙中原子物質或重子的一小部分。(今天我們知道，所有重子一起構成宇宙的 5%，其餘的是暗能量和暗物質。他們還知道, 如果他們算上在宇宙中所有可以觀察到的東西，這其中大部分是恆星和星系, 那麼大多數重子將丟失。

但是，究竟有多少失蹤的物質，以及它可能隱藏在哪裡，是在二十世紀九十年代越來越重視的問題。大約在那段時間，聖地亞哥加利福尼亞大學的天文學家David Tytler提出了一種方法，使用位於夏威夷的凱克望遠鏡，根據新的光譜儀測量遠處類星體即星系中心有活躍黑洞的明亮核心的氘量。Tytler 的數據幫助研究人員了解，在今天的宇宙中, 一旦所有可見的恆星和氣體都被計算上, 就有多達90%重子被忽略了。

這些結果引發了一場激烈的爭論，一部分是因為 Tytler 個人的煽動。愛丁堡大學的天文學家 Romeel 表示: 「儘管當時有很多看似自相矛盾的證據, 他還是堅持他是對的, 並且認為別人基本上都是一群不知道自己在做什麼的白痴。」當然結果是，他是正確的。

然後在 1998年，普林斯頓大學天體物理學家Jeremiah Ostriker和Renyue Cen, 發布了一個開創性的宇宙模型，從宇宙的起點追尋它的歷史。該模型認為，失蹤的重子可能以瀰漫氣體的形式飄蕩在星系之間(並且是在無法察覺的時間內)。

碰巧的是，Dave本可以是Ostriker 和Cen之前第一個告訴世界重子在哪裡的人。Ostriker 和Cen的論文發表的幾個月前，戴夫已經完成了他自己的一套宇宙學模擬，這是他在加利福尼亞大學的博士學位工作的一部分。他關於重子分布的論文表明，它們可能潛伏在星系間的溫熱等離子體中。「我真的不喜歡它這樣的結果,」戴夫說。「哦，好吧，有舍必有得。」

Dave在之後的時間裡繼續努力解決這個問題。他設想失蹤的物質隱藏在連接星系對的非常炎熱和彌散的氣體的幽靈般的線上。用天文學術語來說，這成為了由Dave創造的術語「暖熱星系介質warm–hot intergalacticmedium (WHIM)」 。

許多天文學家又開始懷疑，在星系的郊區可能會有一些非常微弱的恆星，這些恆星可能是失蹤物質的重要組成部分。但經過幾十年的搜尋，恆星中的重子數量，即使是最微弱的，也不超過20％。

越來越多的複雜儀器上線了。 2003年，威爾金森微波各向異性探測器測量了大爆炸後大約38萬年後宇宙的重子密度。 事實證明，它與宇宙學模型所表明的密度相同。十年後，普朗克衛星證實了這一數字。

由於最終未能找到可能存在缺失物質的隱藏恆星和星系，「注意力轉向星系之間的氣體——這種星系間介質分布在數十億光年的低密度星系間空間中，」Michael Shull ——科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家——說道。他和他的團隊開始通過研究它對來自遙遠類星體的光的影響來尋找WHIM。

氫，氦和較重元素的原子，例如氧等吸收這些類星體燈塔的紫外線和X射線輻射。 這種氣體「從光束中竊取了一部分光線，」Shull表示，留下了光線 ——一條吸收線。找到線條，你就能發現氣體。氫和電離氧的最顯著的吸收線在很短的波長處，在光譜的紫外和X射線部分中。對天文學家來說不幸的是（但對地球上的其他生物來說幸運的是），我們的大氣阻擋了這些光線。 為了一定程度上解決光線缺失的問題，天文學家發射了X射線衛星來繪製這種光。 Shull表示，採用吸收線方法，科學家們最終「解釋預測了在大爆炸中形成的重子的大部分（如果不是全部的話）。」

其他團隊採取了不同的方法，間接尋找缺失的重子。包括Shull在內的三支隊伍現在都在說所有的重子都被計算在內。

但WHIM是如此微弱，物質如此分散，以至於很難下定論。「多年來，研究人員之間進行了許多交流，爭論或反對可能探測到溫熱的星系間介質。」 巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所所長Kenneth Sembach說道，「我懷疑會有更多。 最近的論文似乎是這個複雜而有趣的宇宙謎題中的另一篇。我相信會有更多的論文，以及關於如何最好地將這些作品融合在一起的相關辯論。」

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/a-short-history-of-the-missing-universe-20180919/