宇宙有三分之一的质量不知所踪？它们的藏身之处终于被揭晓了

Credits: Illustration:Springel et al. (2005);
Spectrum: NASA/CXC/CfA/Kovács et al.

为了找寻一种听起来不太像会消失的东西，天文学家已经花费了好几十年的时间，这种东西你大概不能想象，那就是宇宙中三分之一的“正常“物质。NASA 钱德拉 X 射线天文台 [ Chandra X-ray Observatory，NASA 于 1999 年发射的一颗X射线天文卫星，用于观测天体的 X 射线辐射，是一种空基望远镜（space-based telescope），以下简称“钱德拉” ] 或许能帮助我们解决这一难题，定位到这些遁形远世的大量消失之物。

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借助相互独立且得到公认已久的多次探测数据，科学家已经能准确地计算出大爆炸（Big Bang）发生后的一瞬间，宇宙到底有多少正常物质了（即氢、氦和其他元素的总量）。在宇宙产生最初的几分钟到大约十亿年间，绝大部分正常物质都逐渐变成了星际尘埃、气体，或是像恒星和行星这一类可以利用望远镜在如今的宇宙中被观测到。

但问题是，当天文学家们把当今宇宙中所有的正常物质相加时，大概有三分之一的物质凭空消失了。 [ 这里所说的物质与暗物质（dark matter）可不是一种物质，暗物质的神秘面纱仍未能被揭开。]

其中一个猜想就是，那些消失的物质会聚在一起，形成了一束束温度较低（温介质）和较高（热介质）的巨型丝状气体，充盈在星系之间，温度较低的丝状气体不高于 10 万开尔文（约 9.97 万摄氏度），温度较高的则超过 10 万开尔文。这些丝状气体被天文学家们称为“星系际温热介质”（warm-hot intergalactic medium, WHIM），它们对可见光光学望远镜不可见，但天文学家已经在紫外光中观测到了一些温介质。

现在，基于钱德拉和其他望远镜的观测数据，研究人员利用新的方法瞥见了 WHIM 的一角：他们找到了热介质的线索，前所未有并且有据可循。

“如果找到了这三分之一消失的物质，我们就能解决天体物理学最大的谜团之一，”欧尔绍尧•科瓦奇（Orsolya Kovacs）说，“恒星、行星甚至我们人类都是由这些物质构成的，而宇宙究竟将它那么多的正常物质藏在了哪里呢？”科瓦奇现就职于马萨诸塞州剑桥的哈佛史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，CfA）。

天文学家利用钱德拉来探究分布在通往一个类星体（quasar）路径上的温介质，类星体是一种亮度极高的天体，能以 X 射线的形式发射出巨大的能量，其中心是快速增长的超大质量黑洞。这个类星体位于距离地球 35 亿光年的地方，如果 WHIM 的热介质成分与这些丝状气体有关，那么来自类星体的一些 X 射线就会被热介质吸收。因此天文学家在钱德拉探测到的类星体X射线中寻找热介质的迹象。

这种方法有一个比较棘手的地方，那就是相比于来自类星体的 X 射线总量，WHIM 吸收的X 射线信号会弱一些。当在不同波长下搜索整个 X 射线光谱时，WHIM 这种微弱的实际吸收很难和背景噪声区分开来。

通过将搜索集中在 X 射线光谱的某些部分，科瓦奇和她的团队克服了上面的这个问题，减少了误报的可能性。为了实现这种集中搜索，她们首先定位了到达这个类星体路径周围的一些特定星系，这些星系与地球间的距离和它们与紫外线数据中探测到的温介质区域的距离相同。利用这项技术，她们鉴定出了 17 种可能存在于类星体和地球之间的丝状气体，并测得了它们与地球间的距离。

由于宇宙在膨胀过程中向外延伸的速度超越了光速，光子在通过扩张的空间时会被延展，因此这些丝状物质对 X 射线的所有吸收波长都会变大，即产生宇宙学红移（cosmological redshift）。红移的量取决于我们到丝状物质的已知距离，因此研究小组也就知道应该在光谱中的哪些位置来寻找 WHIM 吸收的 X 射线了。

“原则上，我们的技术类似于在非洲广阔的平原上如何去有效地搜寻动物，”来自CfA的论文共同作者阿科什•波格丹（Akos Bogdan）说，“我们知道动物需要喝水，所以优先在水坑周围找找是有道理的。”

在缩小搜索范围的同时，研究人员还必须克服 X 射线的吸收比较模糊这一问题，为了解决这个问题，她们将鉴定出的 17 处丝状物质的光谱叠加在一起，将实际上 5.5 天的观测结果转化成了意义上相当于 100 天的数据，从而增强了X 射线的吸收信号。利用这项技术，她们检测到了氧气，而这些氧气的特征表明它处于温度约为100万开尔文的气体中。

由这些氧气的观测数据外推到全套的化学元素，再由所观测的区域外推到局部宇宙，研究人员声称她们可以解释迄今所有消失的正常物质；至少在现在这种特殊的情况下，消失的物质也就一直藏身于 WHIM 之中。

“能够找到其中一些消失的正常物质让我们激动不已，”同样来自CfA的论文共同作者兰德尔•史密斯（Randall Smith）说，“在未来，我们可以将同样的方法应用到其他类星体数据中，让这个一直以来困扰我们的不解之谜最终能被攻破。”

一篇涵盖了这些研究结果的论文于 2019 年 2 月 13 日发表在《天体物理》（The Astrophysical Journal）上，可以在线查阅。

NASA 科学任务理事会的钱德拉项目由位于阿拉巴马州亨茨维尔的 NASA 马歇尔空间中心（Marshall Space Flight Center）负责管理，由位于马萨诸塞州剑桥的史密松天体物理台（Smithsonian Astrophysical Observatory）控制操作。

参考
[1]:https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/where-is-the-universe-hiding-its-missing-mass.html
[2]:https://arxiv.org/abs/1812.04625