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美高梅主页·20年了,科学家们终于找到了宇宙中“失踪”的那些物质

2020-01-07 11:06:55 访问:3430

美高梅主页·20年了,科学家们终于找到了宇宙中“失踪”的那些物质

美高梅主页,宇宙很会玩捉迷藏的游戏,有时候尽管天文学家对自己猎物的藏身之处已有预感,往往也要花数十年的时间进行搜寻才能最终确认。宇宙失踪物质的悬案便是一例,而这个案子现在似乎已经了结。在我看来,这是一个引人入胜的故事,富有智慧的宇宙模型绘制了一幅藏宝图,而科学家足足探索了20年才找到宝藏所在。

早在上世纪80年代,科学家已经知道他们只能观测到宇宙中原子物质(或重子)的九牛一毛(如今我们知道,所有重子加在一起只占到宇宙中全部物质的5%左右,其余的由暗能量和暗物质构成)。科学家知道,如果他们把宇宙中所有可被观测到的东西(大多是恒星和星系)加在一起,这个总和根本占不到理论当中的5%——也就是说,大部分的重子都失踪了。

对宇宙大尺度结构的模拟揭示了宇宙中失踪物质的藏身位置。

但是,究竟有多少物质失踪不见了,以及它们可能隐藏在什么地方,这些问题在上世纪90年代开始变得尖锐起来。

当时,加州大学圣迭戈分校(ucsd)的天文学家大卫·泰特勒(david tytler)提出了一种利用夏威夷凯克望远镜新光谱仪测量遥远类星体中氘含量的方法——类星体是星系的明亮核心,其中心位置存在活跃的黑洞。泰特勒的数据帮助研究人员了解到,在把所有可见的恒星和气体计算在内之后,宇宙中究竟有多少重子失踪不见了:高达90%。

这些研究成果引起了激烈的争议,而泰特勒的个性在某种程度上起到了推波助澜的作用。“他(坚称)自己是对的,尽管在当时有很多看似矛盾的证据,而且他说其他所有人都是搞不清状况的笨蛋,”爱丁堡大学(university of edinburgh)的天文学家罗梅尔·戴夫(romeel dave)说,“当然了,事实证明,他是对的。”

然后在1998年,普林斯顿大学(princeton university)的天体物理学家耶利米·欧斯垂克(jeremiah ostriker)和岑仁岳(renyue cen,音)发布了一个开创性的宇宙模型,它追踪了宇宙从始至今的历史。该模型表明,失踪的重子可能以当时无法检测到的气体形式弥漫四散,飘荡在星系中间。

碰巧的是,戴夫本可以击败欧斯垂克和岑仁岳,成为第一个发现失踪重子的人。在后两者发表论文的数月之前,戴夫完成了自己的整套宇宙模拟,这是他在加州大学圣克鲁兹分校(ucsc)攻读博士学位的部分研究工作。他关于重子分布的论文提出,这些失踪的物质可能潜伏在星系之间温热的等离子体当中。“我那时候没有重视得出的结果,”戴夫说,“好吧,人不可能事事成功。”

在之后的几年里,戴夫继续研究这个问题。他设想,失踪的物质隐藏在鬼魅的气体丝线中,正是这些炙热、分散的气体将星系对连接在一起。用天文学的术语来说,这是“温-热星系际介质”(warm-hot intergalactic medium,简称whim),该术语由戴夫创造。

很多天文学家继续推测,星系外层空间可能存在着一些非常微弱的恒星,它们可能就是那些失踪物质的重要组成部分。但经过多年的搜寻后,科学家发现,即使把最微弱的恒星计算在内,宇宙恒星重子的总量仅占理论值的不到20%。

越来越多复杂精密的仪器开始上线工作。

2003年,威尔金森微波各向异性探测器(wmap)测量了宇宙大爆炸后38万年左右时的重子密度。事实证明,测量结果跟宇宙模型所提出的密度相符。十年后,普朗克卫星证实了这一数值的正确性。

科学家努力寻找可能构成那些失踪物质的恒星和星系,但遭遇了失败,在这种情况下,“注意力转向星系之间的气体,也就是分布在低密度星系际空间、跨越数十亿光年的星系际介质,”来自科罗拉多大学博尔德分校(cu boulder)的天体物理学家迈克尔·沙尔(michael shull)说道。他和他的团队通过研究whim对遥远类星体光线所产生的作用来搜寻这种物质。氢、氦和其他更重元素(比如氧)的原子可以吸收这些类星体辐射出的紫外线和x射线。气体“从光束中偷走了一部分光线。”沙尔说道,从而在光束中留下了一个缺口,也就是一条吸收谱线。找到这些谱线,我们就能找到气体。

氢和电离氧最显著的吸收谱线波长非常短,在光谱上落在紫外线和x射线的区域。对天文学家来说不幸的是,地球大气层将这些射线隔绝在外,不过这对地球上其他生命来说却是大幸。天文学家将x射线卫星发射到太空,在一定程度上就是为了解决失踪物质的问题,他们利用卫星对光线进行测绘。沙尔表示,通过这种吸收谱线法,科学家最终“找到了理论中诞生自宇宙大爆炸的绝大部分重子,如果说还不是全部的话。”

其他研究团队采取了不同的方法,以间接地寻找那些失踪的重子。包括沙尔在内的三支团队都表示,他们找到了宇宙中所有的重子。

然而,whim太过微弱和分散,我们很难盖棺定论。“多年来,研究人员之间进行了很多交流,对于可能检测到whim,他们有的支持,有的反对,”巴尔的摩太空望远镜科学研究所(stsi)的所长肯尼斯·森巴赫(kenneth sembach)说,“我觉得会有更多这样的学术交流,最近发表的论文似乎是这个复杂而有趣的宇宙谜题的新篇章,我相信会有更多的论文发表,也会有更多人讨论如何把这些碎片拼凑在一起。”

翻译:何无鱼

编辑:李莉

来源:quanta magazine

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