20多年来，宇宙学家一直在努力寻找这些物质，却一直没有成功。近年来，快速射电暴（FRB）的发现和全新的望远镜技术，为解决这一问题带来了新的希望。在一篇发表于《自然》杂志的论文中，一组研究人员报告了它们如何通过将FRB作为重子探测器，找到这些失踪物质的踪迹。
快速射电暴以明亮的射电波爆发的形式离开宿主星系。 | 图片来源：ICRAR
问题的根源
重子是指由三个夸克组成的复合粒子，它包括了构成了宇宙中所有普通物质的质子和中子。元素周期表上的所有东西，以及几乎所有你认为是“东西”的东西，都是由重子组成的。
自1970年代末以来，宇宙学家怀疑暗物质占了宇宙物质的绝大部分，余下的才是重子物质，但他们并不知道二者之间的确切比例。1997年，来自加州大学圣地亚哥分校的三名科学家利用重氢原子核（有一个额外中子的氢）与普通氢核的比例，估算出了重子应该占宇宙质量-能量的5%左右。
然而，在这篇论文发表的一年多后，就有另外三名宇宙学家的研究对此发出了响亮的警告。他们发现，通过对目前宇宙中的重子进行的直接测量来看，加起来的结果只有估算出的那5%的一半。
这引发了重子失踪问题。如果按照自然法则所认定的那样，物质既不能被凭空创造，也不能被毁灭，那么就只有两种可能的解释：要么这部分物质不存在，是计算出现了错误；要么就是还有物质藏匿在某处。
搜索开始
于是，世界各地的天文学家都开始了这项研究。1999年，理论宇宙学家发现了第一个线索。他们通过计算机模拟，预测出大部分失踪的物质都隐藏在弥漫于整个宇宙中的处于低密度、百万度高温的热等离子体中。这种等离子体被称为“星系际温热介质”（WHIM）。如果WHIM真的存在，就能解决重子失踪的问题，但在当时并没有方法可以证实它的存在。
2001年，另一个支持WHIM存在的证据出现了。一项研究通过测量宇宙微波背景（CMB，大爆炸遗留下来的余晖）中微小的温度涨落，证实了重子占宇宙5%的最初预测。鉴于这个数字得到了两个不同研究的确认，由此看来计算上应该并没有出现错误，那么WHIM似乎就是解释这个问题的答案。接下来宇宙学家要做的就是找到这种看不见的等离子体。
宇宙微波背景。| 图片来源：NASA
在过去的20年多里，许多宇宙学家和天文学家团队已经几乎把地球上所有最好的天文台都拉入到这项搜索任务中。最终有一个团队将这些温热气体与星系周围的气体联系了起来。如果WHIM真的存在，它们也太过昏暗和分散，以至于难以被探测到。
隐藏在FRB中的答案
于2007年被首次发现的快速射电暴是天文学家意外捕获的一种宇宙现象。它的出现，却出乎意料地成了解决重子失踪问题的新机会。
FRB从遥远的宿主星系穿越空间，抵达地球。| 图片来源：ICRAR
快速射电暴，即FRB，是一种极短暂的高能的射电脉冲，它们只会持续不到千分之一秒的时间。天文学家认为，FRB应该来自遥远的星系，但它的产生机制仍然令人困惑。
当FRB穿越宇宙，通过层层气体和理论中的WHIM时，它们会经历所谓的色散现象。这是因为当射电波通过物质时，它们会被短暂地减慢。波长越长的射电波对物质的“感知”就越强。波长越短的高频射电波可以比波长越长的低频射电波更快地穿过星系间的物质。射电暴通过的星系间物质越多，低频波段的波就会被落后得越多。
当穿越完全空无一物的空间时，FRB的所有波长都以相同的速度传播；但当它们穿越了失踪的物质时，波长较长的那些波的速度就变慢了。| 图片来源：ICRAR
我们可以把这想象成抗风性，越大的车比小车的抗风能力更强。其实对射电波来说，这种“风阻”效应并不明显，但是当FRB源自于遥远的星系时，它们需要穿过数百万甚至数十亿光年的距离抵达地球，色散就会使较长的波长被明显减缓，以至于不同频段的波的抵达时间出现显著差异。
这种性质很快让研究人员意识到了FRB所具有的测量宇宙重子的潜力。通过测量一次FRB中不同波长的传播，就可以精确地计算出这些射电波在抵达地球的途中穿过了多少物质，也就是多少重子。
能做到这一点，就已经离成功很近了，但是还缺少最后一条信息。若要精确测量重子密度，我们需要知道FRB在宇宙中的源头。如果知道它的起源星系，就可以知道射电波传播了多远。有了这些数据和它们所经历的色散量，或许就可以计算出它们在抵达地球的途中穿过了多少物质？
失踪物质的密度可以通过FRB源和地球的距离，再结合不同波长的FRB抵达地球的延时而计算出来。| 图片来源：ICRAR
可惜的是，2007年的时候，天文学家还无法定位FRB的源，因此也就无法确定它离我们有都远。
不过，天文学家已经知道什么样的信息可以解决这个问题，他们要做的只是等待技术发展到足以提供所需的数据就可以了。
技术创新
科学家等了11年的时间才首次定位了一个FRB。2018年8月，一个名为CRAFT的合作项目开始使用位于澳大利亚西部内陆的ASKAP射电望远镜寻找FRB。这台新的望远镜可以对天空的大片区域（大约是满月大小的60倍）进行观测，它可以同时探测FRB并确认它们的天空方位。
ASKAP测量了FRB波长之间的延迟，使天文学家得以计算出失踪物质的密度。| 图片来源：ICRAR and CSIRO/Alex Cherney
一个月后，ASKAP捕获了第一个FRB。一旦他们准确地知道了射电波是来自于天空的哪个部分，就用位于夏威夷的凯克望远镜来确定FRB来自哪个星系，以及该星系有多远。
有了奏效的技术和技巧后，科学家测量了来自FRB的色散，并知道了它来自哪里。但他们还需要捕获更多的FRB才能获得统计上有意义的重子计算。所以他们等待着，希望太空能向地球发送更多的FRB。
截止到2019年7月中旬，天文学家又发现了5个FRB事件，这足以开展首轮对失踪的重子进行搜索的工作。利用这6个FRB的色散测量，研究人员可以粗略地计算出射电波在抵达地球之前经过了多少物质。
当研究人员看到数据正好落在由5%的估计值所生成的预测曲线上时，他们感到既惊讶又安心。这代表着他们已经初步探测到了失踪的重子。
然而，这个结果只是万里长征迈出的第一步。虽然天文学家已经能够估计出重子的数量，但是他们只拥有6个数据点，这不足以绘制一张完整的失踪重子的地图。
越多的FRB可被用来更好地测量失踪物质的密度。| 图片来源：ICRAR
虽然他们已经有证据证明WHIM可能存在，也证实了有多少WHIM，但他们不知道WHIM究竟是如何分布的。它被认为是连接了星系的巨大气体纤维网络的一部分，这个网络被称为“宇宙网”，但是要通过大约100个FRB的信息，宇宙学家才可以开始绘制一个关于这个网络的精确地图。
封面图来源：ICRAR and CSIRO/Alex Cherney
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