寻找失踪的重子

作者: Prochaska et al

来源: 《自然》杂志

发布日期: 2020-05-31

宇宙学家通过快速射电暴(FRB)的发现和望远镜技术,寻找并初步探测到了失踪的重子,这些重子被认为隐藏在宇宙中的星系际温热介质(WHIM)中。

上个世纪末,宇宙学家为构成宇宙的成分编制了一份清单。他们预测我们熟悉的普通物质仅仅只占了宇宙总成分的5%,还有95%都属于未知的暗物质和暗能量。但当宇宙学家把他们所能看到,或所能测量的一切都加起来的时候,却发现他们所得到的普通物质的总和大约只有那5%的一半!消失的物质去哪了?这一难题被称为“失踪的重子问题”。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。

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。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。

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。

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。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。

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进行观测,它可以同时探测FRB并确认它们的天空方位。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。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。

UUID: 2d369354-0382-429f-897f-6e7fcfa7e7b7

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/原理公众号-pdf2txt/2020年/2020-05-31_寻找隐藏的(5%).txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0052 元