宇宙“失蹤物質”搜尋史:人類耗費數十年時間驗證
2018年10月16日08:40
科學家早在多年前就知道,宇宙中有許多不知藏在何處的“失蹤物質”。但尋找它們為何耗費了這麼久呢?
科學家早在多年前就知道,宇宙中有許多不知藏在何處的“失蹤物質”。但尋找它們為何耗費了這麼久呢?

  新浪科技訊 北京時間10月16日消息,據國外媒體報導,宇宙也會玩“捉迷藏”。然而,有時儘管天文學家對“獵物”的藏身之處有所預感,但要證實這種預感,則要耗費數十年時間。宇宙中的“失蹤物質”就是這樣一個例子。這些物質就像一個迷人的傳說。宇宙模型為我們畫下了這張“寶藏圖”,科學家則足足花了20年時間來探索。

  上世紀80年代,科學家首次意識到,我們只能觀察到宇宙中全部原子物質(又稱重子)的一部分。(如今我們已經知道,所有重子加起來的質量僅占宇宙的5%左右,其餘都是暗能量和暗物質。)當時的科學家很清楚,如果把宇宙中所有能觀察到的物質加起來,便會發現它們只占全部重子的一小部分,其餘大部分重子都不知所蹤。

  但這些失蹤的物質究竟有多少?它們可能藏在哪裡?這些問題自90年代以來變得愈加尖銳。當時,加州大學聖地亞哥分校天文學家戴維?泰特勒提出了一種利用夏威夷凱克望遠鏡光譜儀測量遙遠類星體光線中氘含量的方法(中心存在活躍黑洞的星系的明亮核心部分稱為類星體)。泰特勒的數據幫助研究人員瞭解到,如果把可見的恒星和氣體都算上,當今宇宙中究竟失蹤了多少重子:答案是驚人的90%。

  這些結果引發了大量爭議,而泰特勒本人的性格也起到了“煽風點火”的作用。“儘管當時有大量看似相左的證據,他仍然堅持己見,差不多把其他人都說成了不知道自己在幹嘛的白癡。”愛丁堡大學天文學家羅米爾?戴夫解釋道,“當然,事後證明他的確是對的。”

  1998年,普林斯頓大學天體物理學家傑里邁亞?奧斯特萊克和岑仁月(Renyue Cen,音譯)發表了一套具有重大意義的宇宙模型,追溯了自宇宙誕生以來的歷史。該模型顯示,這些失蹤的重子也許以瀰漫氣體的形式、飄散在各個星系之間。

  戴夫本可能搶在奧斯特萊克和岑仁月之前、成為第一個宣佈失蹤重子所在之處的人。就在後者的論文發表前幾個月,戴夫已經完成了自己的一系列宇宙模擬研究。這是他在加州大學聖克魯斯分校博士研究工作的一部分。他在博士論文中指出,重子可能潛伏在星系之間的等離子體中。“我當時並未充分意識到該結果的重要性,”戴夫表示,“沒辦法,有得必有失。”

  在此之後,戴夫又針對這一問題研究了多年時間。他是設想,這些失蹤的物質可能隱藏在維繫各星系的極高溫瀰漫氣體構成的細絲中。戴夫為此自創了一個天文學術語,叫做“暖熱星系際介質”,簡稱(WHIM)。

  許多天文學家仍然懷疑,星系外圍可能存在一些非常暗淡的恒星,它們也許占去了失蹤物質的一大部分。但在多年搜尋之後,即使把人類能觀察到的最暗淡的恒星也算在內,所有恒星中的重子總和也不到整個宇宙的20%。

  近年來,越來越多的精密儀器開始上線。2003年,威爾金森微波各向異性探測器測出了宇宙大爆炸後約38萬年時的宇宙重子密度,結果與宇宙模型的預期相同。10年後,普朗克衛星進一步證實了該測算結果。

  科羅拉多大學波爾多分校天體物理學家邁克爾?沙爾指出,由於科學家最終沒能找到可能藏有失蹤物質的隱藏恒星或星系,“注意力開始轉向星系之間的氣體,即分散在相隔數十億光年的星際空間中的星系際介質。”沙爾和他的團隊試圖通過暖熱星系際介質對遙遠類星體光線的影響來搜尋此類物質。氫、氦、以及更重元素(比如氧)的原子會吸收類星體所釋放光線中的紫外線和X射線輻射。沙爾解釋道,這些氣體“相當於從類星體光束中偷走了一部分光線”,形成吸收譜線。只要能找到這些吸收譜線,就能找到相應氣體。

  氫和離子化氧的吸收譜線主要分佈在短波長段,即紫外線和X射線所在波段。但對天文學家而言不幸的是(對其它地球生物則非常幸運),地球大氣會把這些光線阻擋在外。因此要想解決宇宙中的失蹤物質之謎,天文學家需要發射X射線衛星,才能繪製出這些光線的圖像。沙爾指出,利用吸收譜線分析法,科學家總算“找齊了宇宙大爆炸形成的絕大部分重子。”

  其它團隊則另闢蹊徑,通過間接方法尋找失蹤的重子。包括沙爾團隊在內,目前已有三支團隊稱自己已經找齊了所有的重子。

  但由於暖熱星系際介質極為微弱稀薄,這個問題還很難結案。“多年來,研究人員之間針對暖熱星系際介質展開了多次討論,有人稱自己探測到了此類物質,有人則予以反對。”巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所主任肯尼斯?桑巴奇表示,“我猜今後還會出現更多。近期的一些論文似乎在這張複雜而有趣的宇宙‘拚圖’上又添上了一塊。我相信今後還會補上更多塊,相關討論也會隨之展開。”(葉子)

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