您的当前位置:首 页 >> 科学探索 >> 天文航天

天文航天

宇宙最后一批 “失踪”的普通物质现身

来源:南方日报 日期:2018-07-02


  宇宙的大尺度结构物质分布类似于一张巨大的蜘蛛网,在节点处存在由成千上万个星系所构成的星系团,而失踪的重子物质则存在于连接这些节点的纤维状结构上。资料图片

  科学家很早就通过计算发现,宇宙中质量仅5%为普通物质,其余为暗物质或暗能量。但就是这5%中,也有很大部分未被直接观测到。这些普通物质,或者称之为重子,到底去哪儿了?

  近日《自然》杂志报道一项研究成果显示,通过X射线段对遥远天体的观测,发现了它们的踪迹。上述研究显示,这些“失踪的重子”藏身于星际空间中纤维状“网”中,几不可见。那么,科学家是如何发现它们的?这次成果完全解决了“失踪的重子”之谜吗?

  失踪的普通物质去哪儿了?

  按照科学界的普遍观点,我们的宇宙约5%是由质子和中子(它们也称重子)以及电子这些普通物质构成,其余大部分剩下由暗物质(23%)和暗能量(72%)组成。

  对于暗物质的探索,似已看到曙光:去年,《自然》杂志报道了我国暗物质粒子探测卫星“悟空”的首批探测成果,其测量到电子宇宙射线能谱在1.4万亿电子伏特(TeV)能量处的一个“拐折”,或是暗物质存在的证据。像PandaX(熊猫计划)等暗物质地下直接探测实验也在进行中。

  对于暗能量的存在,科学家通过超新星、宇宙微波背景辐射观测和重子声波振荡信号测量等多个方式,基本得以间接证实。

  但在研究成果不断出现的同时,另一方面,我们对宇宙的秘密仍然所知甚少。普通物质占宇宙总物质的5%左右,是基于对早期宇宙的一系列观测所得出的结论。这些观测包括宇宙大爆炸后的核合成、宇宙微波背景辐射,以及对于早期宇宙的莱曼森林吸收线观测所得。

  在1998年的一篇经典论文里,美国普林斯顿高等学术研究所和日本东京大学的研究人员发现,将所有能观测到的重子物质加在一起,所观测的重子物质只有早期宇宙的一半左右。换言之,有高达一半的物质未能找到,这也就是著名的“失踪的重子”问题,也是在最近一二十年国际天文研究的热点之一。

  近年来,一系列的理论研究和数值模拟计算表明,除了少部分组成星系和星系团介质的重子,绝大多数宇宙中的重子存在于星系际介质中。星系际介质追踪了冷暗物质的大尺度结构,是星系、恒星、行星,以及最终所有生命的形成的最原始材料。

  厦门大学天文学系教授方陶陶从事相关领域的研究。他解读这一问题时表示,按目前的标准宇宙学模型,在早期宇宙中,星系际介质分布比较均匀;随着时间的演化,形成了大尺度结构的“宇宙网”(Cosmic Web)。

  方陶陶表示,将我们在银河系和星系团周边看到的所有恒星、行星、扬尘和气体都算进来,只有约18%的普通物质被观察到;再加上组成“宇宙网”的气体,又有大约43%;但是还有大约40%的“普通物质”,或者说“重子”处于“失踪”状态,“而根据多相气体冷却模型(multi—phase cooling),大量低密度、高温气体(约为几百万摄氏度)存在于星系的外围。‘丢失的重子’正是存在于比较热而又稀薄的星系际介质中。”

  中国科学院国家天文台研究员陈学雷告诉南方日报记者,科学界目前对上述猜想并没有太大的争议。只不过,观测上要证实这种猜想比较困难。“如果观测能够证明这种猜想,那就进一步证实我们现有的宇宙演化图景是正确的。反之,如果一直找不到,那就说明我们对宇宙演化的理解有重大疏漏。”陈学雷说。

  遥远的黑洞“照亮”“失踪的重子”

  6月20日,发表在《自然》杂志上的论文报道了“失踪的重子”的新线索。该论文由意大利国立天文研究所(INAF)和哈佛—史密森尼天体物理中心的天文学家尼卡斯特罗(Fabrizio Nicasto)牵头。

  论文再次证实了上述的猜测:失踪的重子一直躲在星际间稀薄炽热的氧气云中。论文合著者、科罗拉多大学博尔德分校的天文学家、论文合著者沙尔(J.M.Shull)表示:“我们在氧气团内找到了失踪的重子。这些氧气团纤薄且炽热,高度电离——失去了大部分电子,带强正电荷。”

  随上述论文发表的,还有方陶陶教授的相关评述文章。文章指出,宇宙的大尺度结构物质分布类似于一张巨大的蜘蛛网,在节点处存在由成千上万个星系所构成的星系团,而失踪的重子物质则存在于连接这些节点的纤维状结构上。

  为什么这些失踪的重子物质很难探测到?方陶陶认为,主要有两方面原因:一是由于纤维状结构中的重子物质密度极低,是银河系内星际介质密度的百万到千万分之一;二是高温使占宇宙中最丰富的元素——氢被完全电离,从而很难用光谱的方法探测到。

  所以在这种情况下,一个较为有效的方法就是利用存在于纤维状结构中丰度相对较低的重元素——比如氧:氧元素在相同的高温下,其离子还存在一两个电子,可以在紫外线和X射线波段产生强度极弱的光谱。

  在这方面,包括方陶陶和国际上一些其他团队,在二十一世纪初做出了一系列卓有成效的工作。他们主要利用一些大型的空间望远镜,比如NASA的哈勃望远镜和钱德拉X射线望远镜、欧空局的XMM—牛顿望远镜,进行了大量的空间紫外线和X射线的观测。这些观测一般利用遥远的、极亮的天体作为辐射源,如果在视线方向上有电离云存在,就能探测到氧的吸收线。

  这些早期工作证明了上述方法的有效性,并揭示了失踪重子存在的初始证据。

  上述尼卡斯特罗的论文也正是采用了类似方法。他们利用XMM—牛顿X射线望远镜观测名为1ES 1553+113的极亮蝎虎天体(BL Lacertae),累计观测时长175万秒(约20天)。这个天体的中心存在超大质量的黑洞,在一段时间内会变得极其明亮,从而可以作为寻找前景吸收极好的背景源。观测过程中,研究人员在累加的光谱中找到红移分别为0.43(距离我们约78亿光年)和0.36(距离约63亿光年)氧离子的吸收线系统,从而认为找到了部分失踪重子的去向。

  方陶陶指出,尼卡斯特罗等人工作的重要性在于其探测的统计显著性较以前有明显提高;而且在红移0.43处的吸收系统,氧离子处在不同能级处的两条吸收线同时探测到还是第一次。

  陈学雷也评价称,这次探测的信号更为显著,在一条视线上探测到了两处不同红移产生的吸收线,证实这种吸收体存在比较普遍,因此更增强了对这一解释的信心。

  现有设备已达极限,下一代X射线望远镜肩负使命

  方陶陶也认为,由于上述蝎虎天体距我们的距离并不十分明确,不能排除红移0.43处的吸收系统起源于该蝎虎天体自身的可能性。同时,这些吸收线系统也有可能起源位于视线方向的个别星系,而不是位于星系外的纤维状结构。这些都有待于今后的观测来进一步证实。

  方陶陶特别指出,尼卡斯特罗累计时长达175万秒观测时间,从侧面反映出,寻找失踪重子的工作已经达到了人类现有望远镜的极限。在未来,包括我国的“宇宙热重子探寻望远镜”(Hot Universe Baryon Surveyor)、欧空局“雅典娜”望眼镜等下一代设备,将配备更灵敏的X射线光谱仪,有望测绘出完整的宇宙重子分布。

  特别是,上述“宇宙热重子探寻望远镜”已经被纳入国防科工局“发现极端宇宙”的空间科学三步曲战略部署,将有望在寻找“失踪的重子”方面取得重大进展。

  此外,方陶陶还提到,另一种探测“失踪的重子”的方法是利用一种被称为“桑亚弗—捷尔多维奇效应”(Sunyaev—Zel’dovich effect)的现象——大爆炸后留下的光在穿过热气体时,会“洒下”一些电子到气体中,造成畸变,从而在宇宙微波背景辐射中留下“蛛丝马迹”。

  陈学雷也表示,科学研究往往还要用多种不同的手段进行交叉验证,因此未来还有可能使用其它手段来追踪这些“失踪的重子”。


分享按钮