本網綜合 Will Dunham 報導 宇宙中存在兩種物質。一種是看不見的暗物質,人們僅通過其在宏觀尺度上的引力效應得知其存在。另一種是普通物質,如氣體、塵埃、恒星、行星以及地球上的事物,如餅乾麵團和獨木舟。
科學家估計普通物質僅占所有物質的約15%,但長期以來一直難以確定其具體分佈位置,其中約一半的去向不明。借助來自宇宙中69個地點的強大無線電波爆發,研究人員如今找到了這部分“失蹤”的物質。
研究人員表示,這種物質主要以稀薄的氣體形式存在於星系之間的廣闊空間中,並通過其對穿過太空的無線電波的影響被探測到。這種稀薄的氣體構成了星系際介質,類似於星系之間的霧氣。
科學家此前通過計算大爆炸事件(約138億年前引發宇宙形成的事件)遺留的光線,確定了普通物質的總品質。但他們無法實際找到其中一半的物質。
“因此,我們一直試圖解答的問題是:它藏在哪里?答案似乎是:在遠離星系的彌漫性宇宙網中,”哈佛大學天文學教授、週一發表於《自然·天文學》期刊的該研究論文第一作者利亞姆·康納表示。
研究人員發現,失蹤物質中較小的一部分存在於圍繞星系(包括我們的銀河系)的彌漫性物質暈中。
普通物質由巴克球組成,即構成原子的亞原子粒子質子和中子。
“人類、行星和恒星都由巴克球構成。而暗物質則是一種神秘物質,構成了宇宙中絕大多數的物質。我們不知道暗物質是由哪種新粒子或物質組成的。我們確切知道普通物質是什麼,只是不知道它在哪里,”康納說。
那麼,如此多的普通物質是如何出現在荒蕪之地的?當恒星在超新星爆發中爆炸,或當星系內部的超大品質黑洞“打嗝”——在吞噬恒星或氣體後排出物質時,大量氣體會被從星系中噴射出去。
“如果宇宙是一個更無聊的地方,或者物理定律不同,你可能會發現普通物質都會落入星系,冷卻下來,形成恒星,直到每個質子和中子都成為恒星的一部分。但事實並非如此,”康納說。
因此,這些劇烈的物理過程將普通物質在廣袤的宇宙空間中四處拋灑,使其流落於宇宙荒野。這種氣體不再處於其通常狀態,而是以等離子體的形式存在,其電子和質子已被分離。
用於檢測和測量缺失的普通物質的機制涉及一種稱為快速射電暴(FRBs)的現象——來自宇宙遙遠角落的強大無線電波脈衝。儘管其確切成因仍是個謎,但主流假設認為它們是由高度磁化的中子星產生的,這些中子星是恒星在超新星爆炸中死亡後留下的緻密天體殘骸。
當射電波頻率的光從FRBs的源頭傳播到地球時,它會分散成不同的波長,就像棱鏡將陽光分解成彩虹一樣。這種分散的程度取決於光路中物質的多少,從而提供了定位和測量物質的機制,否則這些物質將無法被發現。
科學家利用來自69個FRB的無線電波進行研究,其中39個是通過位於加利福尼亞州Bishop附近的加州理工學院奧文斯穀無線電天文臺的110臺望遠鏡組成的“深空綜合陣列”(Deep Synoptic Array)發現的。剩餘的30個則是通過其他望遠鏡發現的。
這些FRB的距離最遠可達91億光年,是迄今為止記錄中距離地球最遠的。光年是光在一年內傳播的距離,約為5.9萬億英里(9.5萬億公里)。
在所有普通物質都被統計後,研究人員得以確定其分佈情況。約76%的普通物質存在於星系間空間,約15%存在於星系暈中,剩餘9%集中在星系內部,主要以恒星或氣體的形式存在。
“我們現在可以繼續探索宇宙中普通物質的更重要謎團,”康納說,“而更深層次的問題是:暗物質的本質是什麼,為什麼它如此難以直接測量?”