三十年了，宇宙物質失蹤之謎終於解開了

1916年，愛因斯坦廣義相對論的發表奠定了宇宙學的基礎，隨着哈勃發現宇宙膨脹及大量天文學家、物理學家不斷深入，我們從理論上認識到宇宙始於大爆炸，存在大量暗物質和暗能量，4.9%的可見物質構成了宇宙萬物，包括我們自己，然而在實際的觀測當中，我們只找到了理論值的一部分，而另一部分在哪，直到近日之前它都是一個謎。

圖：宇宙能量分佈

在大量科學家把暗物質和暗能量作為攻堅目標的同時，還有一部分科學家在過去的30多年一直致力於尋找宇宙失蹤的可見物質，直到最近我們才發現了它們的蹤影。

一個人，一部手機，一輛車，一個星球都是由分子與原子構成，又由原子核中的中子、質子及核外電子構成，再到基本粒子。

圖：原子的構成

天文學可以通過光學望遠鏡接收遙遠的星光，通過消除紅移，對照光譜判斷天體的元素構成；通過亮度來判斷天體與我們的距離以及它的質量（質光關係）；射電望遠鏡的出現，使人類從可見光波段，提升到無線電波，紅移更嚴重，距離更遙遠、年代更久遠的星空都可收入眼中，甚至全球8台聯動拍攝到了黑洞照片。

圖：黑洞吸積盤物質高速旋轉相互撞擊，產生輻射得以捕捉

實際上，科學家堅信星系的形成過程中有部分物質由於距離太過遙遠並沒有被納入星系之中，而且這些物質佔比高達90%以上。它們處於引力稀薄的星系“真空”區，雖然總量巨大，但架不住宇宙的廣闊，因此它們也極為稀薄。失蹤的物質就是稀薄物質中最為稀薄的部分。這就像是五六十年代的物理學家堅信黑洞一定存在，但科技卻不允許它們證明。

圖：星系間的距離

通過對失蹤物質與空間的測算，它們的密度相當於一個卧室中（10平）至多也就1~2個原子。當光學望遠鏡對着一個空曠的區域，這些物質無法產生足夠多的光子，只能感知到孤寂與黑暗，並背景星光的強度也能掩蓋它們，當然它們已經渺小得連掩蓋都用不上。

圖：人類跨出的第一步，也是目前的最後一步

在宇宙中，距離越是遙遠也預示着年代更是久遠，射電望遠鏡讓人類的視野從幾億光年上升到了突破了幾百億光年。然而射電雖然能接收更長的無線電波，但對於微小的失蹤的物質也是無能為力，“太空望遠鏡並非太空顯微鏡”。我們身處星系之中，探測器更是連太陽系都沒出去過，到星系之間“實地考察”更不現實。

圖：射電望遠鏡仰望星空

近日,發表在《自然》上的一篇新論文聲稱終於發現了失蹤的物質，這個發現源於射電與光學共同對“快速射電暴（FRB）”的觀測。

圖：其他星系向地球發射快速無線電脈衝信號

FRB的起源目前還是一個謎，可能來源於近期超新星的爆發或者活動劇烈的恆星破碎，向外暴噴出持續時間極短、能量極大的無線電脈衝信號。FRB是隨機出現的，每次只會持續幾毫秒，但攜帶的能量卻相當於太陽80年的苦勞。

圖：快速射電暴

為了觀測總是搞“突然襲擊”的信號，研究人員利用了澳大利亞平方公里陣列探路射電望遠鏡（ASKAP），這是目前唯一既可以檢測FRB，又精準發現FRB起源星系的望遠鏡。

圖：澳大利亞平方公里陣列探路射電望遠鏡

當襲擊地球的FRB出現時，ASKAP能在不到一秒的時間內記錄並進行實時直播，ASKAP植入了快速無線電脈衝捕獲系統，特別是對於FRB出發地的測量精確度非常高。因此研究人員可以通過光學得到星系與地球的距離，並與脈衝數據進行匹配，最終得出失蹤物質存在與否，那麼它們具體是怎麼做到的？

圖：FRB如果在星系間遇到自由電子會發生散射

雖然失蹤物質極為稀薄，但是遙遠星系發出的FRB需要經歷數百萬光年，甚至上億光年的旅程才能到達地球，只要失蹤的物質存在，有些無線電波肯定是會與它相會的。如果太空中空無一物，那麼FRB從星系怎麼出發的就會怎麼到達地球，不同波長的FRB都會以相同的速度傳播。

圖：星系之間不存在物質的FRB

但如果太空中並非空無一物，高能的FRB必然會與物質中的電子發生作用，這個過程如同陽光經過三稜鏡，會被散射成七色光。

研究人員得到的數據是這樣的：

圖：FRB遇到自由電子之後的變化

數據表明了空曠的太空之中存在失蹤的物質，但這還不夠。這種方法可以測算出FRB駛來的每個朝向上星系間的電子密度，而電子又對應電離重子（中子和質子）。

圖：不同位置的FRB的6次衝擊

科學家預計只需得到六次FRB數據就可以還原整個宇宙中星系間的物質總量。宇宙中普通物質分佈決定對星系、恆星和行星的形成至關重要，我們或許還可以從中得到暗物質與暗能量等不可見的結構信息。失蹤的物質可以隱藏，但是早晚都會被我們揪出來。

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