宇宙中缺失的一半物質去哪了?快速射電暴或將給出答案

在以往的文章裏,我們分享過各種巨大的宇宙天體,如體積達到太陽50億倍的盾牌座 UY、質量相當於660個太陽的超大質量黑洞、直徑百億光年的宇宙長城……

在我們的印象裏,這些天體如此巨大,其質量已經遠遠超過了想象。但事實證明,它們在整個宇宙中僅僅佔據了微不足道的一小部分。根據目前的宇宙模型,科學家認為:宇宙的全部能量有68.3%被暗能量所佔據、26.8%是暗物質,而那些可見物質,即使包含着那麼多恐怖的黑洞、中子星、恆星、星系、星雲、類星體,但它們所佔據的不過是整個宇宙的4.9%而已。對於這些可見物質,我們統稱為重子物質(baryonic matter)。

可是,即使是僅僅佔據了4.9%,重子物質仍然沒有想象的那麼多。

20世紀60年代,人類發現了宇宙大爆炸的餘輝——宇宙微波背景輻射。通過宇宙微波背景輻射,我們可以更好地瞭解宇宙在早期經歷了什麼、是什麼模樣。通過宇宙微波背景輻射,科學家甚至可以推算出早期宇宙有多少重子。可是,在幾十年前,當科學家們將理論上早期宇宙的重子數與現在我們的觀測結果進行對比的時候,發現竟然有一半沒有被我們觀測到!

奇怪,它們又不是暗物質或者暗能量,按理説通過我們現在的手段是完全可以觀測到的,那麼問題就來了:它們去哪了?

關於這個問題,科學家們討論了很久。目前來説,比較可靠的説法就是:它們彌散在星系之間的黑暗區域。由於密度太低,又不發光,所以極難觀測。通過對遙遠的類星體進行光學分析的時候,科學家們也的確發現了極少量特殊的氫原子分佈在一些星系的邊緣。在靠近星系的位置或者星系內部的絲狀結構附近,那些彌散的物質可以將宇宙微波背景輻射的光進行散射。但是,一旦距離星系過遠,這些物質就過於黑暗,讓我們完全無法探測了。

國際射電天文學研究中心(ICRAR)科廷大學分校的天文學家Jean-Pierre Macquart告訴我們:“星系之間的宇宙空間非常空曠,那些缺失的物質在一個辦公室那麼大的空間裏只有1-2個原子分佈。所以,用傳統的觀測技術和望遠鏡是很難探測到它們的。”

因此,他以及他的同事們決定:既然不能直接觀測,那就用間接的方法。最終,快速射電暴(fast radio bursts,縮寫:FRBs)成為了他們尋找這些缺失物質的重要工具,並促成了他們最近在《自然》雜誌上發表的最新研究成果。正如加州大學聖克魯斯分校的天文學家J. Xavier Prochaska所説的那樣:“快速射電暴的發現及其為遙遠星系的定位正是破解這個謎題所需的關鍵突破口。”

快速射電暴,指的是在宇宙空間中會突然出現又迅速消失的無線電波。在2007年,人類首次在宇宙中檢測到快速射電暴,至今才只有13年左右的研究歷史。它的特點不僅是瞬間的暴發,而且能量極高,有的甚至可以達到太陽的數億倍,相當於在幾毫秒的時間內能夠釋放出太陽耗掉整整一天才能釋放的能量。

更加神秘的是,這些快速射電暴通常暴發一次之後,就再也沒有出現過,只有極少數會重複暴發,但間隔時間也會很長、並且沒有任何規律。因此,我們既不能預測哪裏、何時會出現快速射電暴,也不可能在偶然遇到一次後還指望通過對這個區域持續觀測來等候下一次暴發。所以,直到現在,也沒有人知道它們到底從何而來。目前來説,很多人願意相信快速射電暴是來自於磁星(中子星的一種),但是目前也無法確認。

(圖片説明:磁星會是快速射電暴的源頭嗎?)

不過,就在去年,科學家們提出了一些想法,或許可以幫助我們追溯快速射電暴,將其來源鎖定到星系的範圍。雖然這樣未必能讓我們確定它的本質,但已經可以讓我們大致瞭解其源頭距離我們有多遠。而這個距離,也可以成為我們觀測宇宙的一個有力工具。在尋找那些缺失的物質時,快速射線暴也能成為重要的參考。

雖然不知道源頭是什麼,但我們確定在離開源頭的時候,快速射電暴是以高度聚集的射電束射到宇宙空間的。但是,當它們穿越了茫茫宇宙,被我們的觀測設備捕獲的過程中,會在穿越星際物質的過程中被拉長。在被拉長的過程中,不同的波長受到的影響也不盡相同,用Macquart話説,這就“像你看到陽光的顏色在三稜鏡中被散射開了一樣”。我們可以通過這些差別來檢測快速射電暴到底經過了多少物質,才能出現我們觀測到的變化。

Macquart表示:“我們現在已經能夠測量到足夠多的快速射電暴距離,從而確定宇宙的密度。僅僅需要6個快速射電暴,就足以讓我們找到那些缺失的物質。”

不過,雖然他們已經掌握了一定的信息,但是這些信息還非常有限。他們仍然無法確定這些缺失的物質到底是怎樣的成分構成,我們知道其中主要是,但卻無法確定其比例。但目前的計算結果顯示,通過快速射電暴觀測法得到的物質總量與宇宙微波背景輻射所計算出來的結果相一致。

這對於天文學家來説,無疑是一個非常好的消息。這意味着在經過了幾十年之後,我們可能終於找到了宇宙缺失的那一部分。儘管原子的密度如此之低,但我們確定了在星系之間的廣闊空間裏,宇宙並非是徹徹底底的真空。如此廣闊無垠的星際空間,讓如此低密度的物質擁有着驚人的總質量,甚至佔據了宇宙可見物質的一半。

不過,研究人員也承認,他們的這項研究還剛剛起步,只研究了很少的幾個快速射電暴。我們需要更多快速射電暴的捕捉和研究,才能夠更好地瞭解這種神秘的宇宙現象,也能夠更好地藉助它來計算宇宙的密度和質量。

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