科学家首次找到宇宙中“消失的物质”

○  利用超级计算机，科学家可以模拟出星系和星系团是如何在被称作“宇宙网”的长纤维丝状的结构中形成的。 | 图片来源： ANDREW PONTZEN AND FABIO GOVERNATO/WIKIMEDIA COMMONS

近几十年来，天文学家通过不同的观测手段得出的所有证据都指向了同一幅宇宙图景：宇宙是由68%的暗能量、27%的暗物质以及5%的普通物质所构成的。但即使我们知道宇宙的内容是这样的，依旧有许多谜题困扰着我们。比如我们完全不知道究竟什么是暗能量，又是什么驱动了它；我们也不知道暗物质的真实面目，虽然通过观测能够确定它的存在以及推测它的性质，但目前没有任何实验捕捉到它的踪影；甚至连普通物质——即那些由质子、中子和电子构成的物质——也跟我们玩起了捉迷藏。

事实上，如果我们把宇宙中所有的普通物质全部加起来，就会发现它们大部分都消失了！

○  一个近乎均匀的宇宙，随着时间逐渐膨胀，在引力的影响下会形成宇宙网的结构。该网同时包含了暗物质和普通物质。 | 图片来源： Western Washington Universe

测宇宙的方法有两种：一种是通过天体发射或吸收的光，另一种是通过观察物质的引力效应。在先前的一些研究中，引力帮助我们理解了如宇宙膨胀、大尺度结构、以及微波背景辐射（宇宙大爆炸后遗留弥漫于整个空间的光子）等相关问题。但是光也同样起着重要作用。恒星之所以会发出闪耀的光芒，是因为存在能引起核反应的内部物理学原理，所以对它们释放的光进行测量，就能知道它们有多少质量。通过测量其它波长的光的吸收和发射情况，我们不仅能计算出恒星的质量，还能了解如气体、尘埃、星云和黑洞的质量。在更高的能量，我们甚至可以测量星系内的热等离子体。当我们考虑到所有的情况时，仍然发现总的普通质量中有高于一半的质量消失了。也就是说，在我们最熟悉的那5%的宇宙总质量中，我们仍缺失了一大半，这被称为“消失的重子之谜”。（重子是指由三个夸克或反夸克组成的复合粒子，比如我们熟知的质子。）

○  哈勃太空望远镜寻找丢失的物质。我们能够通过电磁信号探测到的消失的物质只有普通物质，暗物质不受影响。 | 图片来源： NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

那么剩下的那些重子应该在哪呢？答案在星际之间。暗物质应该以大尺度丝状结构聚集在一起，但普通物质也应如此。当第一批恒星释放出的高能辐射穿越星系际空间时，暗物质与光会完全相互忽视，但普通物质却是相当脆弱的。在宇宙只有38万岁时，中性原子就形成了，数亿年之后，从早期恒星中释放出的炙热紫外线照射到这些星系际原子身上，这时，这些被吸收的光子将原子中的电子完全踢出，并产生一种星际间等离子体，叫：温热星系际介质（WHIM）。

○  以前也发现过WHIM，但只有在非常密集的区域，比如玉夫座长城。 | 图片来源： NASA/CXC/Univ. of California Irvine/T. Fang. Illustration: CXC/M. Weiss

先前我们对 WHIM 的了解主要仍处于理论阶段，除了在全球少数几个地方，我们还没有足够好的设备来对其进行测量。 WHIM的密度应该非常低，沿着细丝状暗物质结构分布，并且具有非常高的温度（在10万K和1000万K之间）。现在，在两个独立研究团队的努力下，我们终于首次以超过5个标准差的统计学显著性探测到了WHIM，其中以 Anna de Graaff 为首的研究团队观测的对象是宇宙网[1]，另一个是由 Hideki Tanimura  领导的对亮红星系之间的空间进行观测的研究小组[2]。这两个团队都使用了同的方法来探测WHIM，即 SZ 效应（Sunyaev-Zel'dovich effect）。

什么是 SZ 效应呢？当微波背景辐射的光子在传播的过程中，宇宙的膨胀会对它产生拉伸作用，使波长变成，温度在今天也已经冷却到了接近绝对零度。当这些光子穿过热气体时，会与气体中的高温自由电子发生散射，获得一部分能量，使光子的波长小幅地变短（大概缩短约千万分一），从而在微波背景辐射上留下一个个斑点。这就是所谓的SZ效应。

（这一发现可以追溯到1969年，Sunyaev-Zel'dovich在 The interaction of matter and radiation in a hot-model universe 中预测了这种效应，但首次探测到这一效应却发生在几十年之后了。实际上，这篇文章几乎完全是由Sunyaev写的，Zel'dovich则只是加入了对探测这一效应有多困难的描述。近五十年后的今天，它被用来帮我们检测宇宙中缺失的那部分物质。）

○  微波背景辐射，这种图片包含了关于早期宇宙的大量信息，包括它的成分、年龄和历史。 | 

○  微波背景辐射，这种图片包含了关于早期宇宙的大量信息，包括它的成分、年龄和历史。 | 图片来源： ESA and the Planck Collaboration