科學家解決了宇宙物質失蹤之謎，它們就在星際之間，只是太稀薄

勤奮、技術進步和一點運氣共同解決了20年的宇宙之謎。圖片：CSIRO/Alex Cherney，CC BY-ND

科學家對宇宙中有多少物質做出了預測。他們估計約有5％（一說4.7%）應該是常規物質，其餘則是暗物質和暗能量的混合物。宇宙中可以探測到的所有物質都是重子粒子組成的。恆星、行星、星雲、等離子、甚至黑洞都由重子物質組成。但是，當科學家計算出所有能夠觀測到的物質總量時，只有預測值的一半。

重子是一個現代粒子物理學名詞，在標準模型理論中，「重子」這一名詞是指由三個夸克組成的複合粒子。因為重子屬於複合粒子，所以「不是」基本粒子。最常見的重子是組成普通物質原子核的質子和中子。

這就是所謂的「缺失的重子問題」，20多年來，宇宙學家一直在努力尋找，但都沒有成功。

直到今年早些時候，科學家運用全新的望遠鏡技術，終於找到了缺失的物質。

缺失的重子

1997年，加州大學聖地亞哥分校的三位科學家使用重氫核（具有額外中子的氫）與正常氫的比率來估計，重子應占宇宙質能總量的的5％左右。

大爆炸的殘餘輻射 - 宇宙微波背景輻射，為科學家提供了精確測量宇宙中重子質量的方法。圖片：NASA

緊接著，其他科學家報告說，通過測量恆星、星系以及它們周圍氣體，當前宇宙中重子的總質量僅占預測的5％的一半。

這引發了缺失的重子問題，有兩種可能的解釋：要麼計算有誤物質本不存在，要麼物質就藏在某個地方。

科學家通過觀察宇宙微波背景輻射中微小的溫度波動，證實了重子構成宇宙的5％的預測。剩下的問題就是找到它們。

根據2012年的宇宙重子調查，50％到60％的重子應該存在於星系之間的氣體雲中。

找不到的物質

全世界的科學家開始努力尋找。最初的線索來自理論宇宙學家，他們的計算機模擬預測，大部分失蹤的物質隱藏在充滿整個宇宙、密度極低的高溫等離子體中，它們被稱為「溫-熱星際介質」，簡稱為「WHIM」（warm-hot intergalactic medium）。

這種星際介質包含溫度從幾千度到幾百萬度的氣體細絲，找到它們將解決缺失的重子問題，它們是如此分散，以至於很難看到。

紅色圓圈表示在數十億光年遠的星系中產生快速射電暴的位置。圖片：J. Xavier Prochaska, Jay Chittidi and Alexandra Mannings, CC BY-ND

意外的解決方案

在2007年，天文學家鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）偶然發現的一種宇宙現象，即快速射電暴（FRB）。快速射電暴是非常短暫、高能量的無線電發射脈衝。其產生機制尚不清楚，但是可以確認它們來自遙遠的星系。

快速射電暴持續時間不到千分之一秒。當這些無線電穿過宇宙中的氣體和理論上的溫-熱星際介質時，它將發生色散，無線電波的長波和短波會產生不同程度的減速。當快速射電暴跨越數百萬或數十億光年到達地球時，色散使較長的波長減慢了很多，它們比較短的波長晚到將近一秒鐘。

快速射電暴源於數百萬甚至數十億光年遠星系，可以利用它們找到失蹤的重子。圖片：ICRAR, CC BY-SA

通過測量快速射電暴內不同波長的分布，可以精確地計算出無線電波在到達地球的過程中穿過了多少物質（主要是重子）。

為了精確測量重子密度，我們需要知道快速射電暴來自天空的哪個位置。如果我們知道源星系，就能夠知道無線電波傳播了多遠。有了它們以及他們經歷的分散程度，也許我們可以計算出它們在到達地球途中經過了多少物質。

技術創新

遺憾的是，最初發現的快速射電暴無法給予我們確切的位置信息。直到2018年8月，科學家能夠開始使用澳大利亞平方公里陣列探路者（ASKAP）射電望遠鏡尋找快速射電暴。這款新型望遠鏡可以觀察到天空的大部分，大約是滿月大小的60倍，並且可以在發現快速射電暴的同時查明它們的位置。

快速射電暴（點）的色散測量與宇宙學預測（黑色曲線）相比較基本一致。圖片：Hannah Bish, CC BY-ND

一個月後，望遠鏡捕獲了第一個快速射電暴，之後科學家迅速使用夏威夷的凱克望遠鏡來識別它來自哪個星系以及距離我們多遠。

到2019年7月，累積檢測到另外5起事件。使用這6個快速射電暴的色散數據，科學家能夠粗略地計算出無線電波在到達地球之前經過了多少物質。數據正好落在5％估計值預測的曲線上，這意味著科學家已經完全檢測到了缺失的重子。

當然，這只是第一步，僅憑6個數據點，無法重現整個宇宙的缺失重子的圖像。科學家需要大約100個點的數據，來精確地建立宇宙網狀聯繫圖。

另一個謎是快速射電暴的產生原因，這可能需要等待ESA計劃於2028年發射的雅典娜望遠鏡來幫助我們回答這個問題。

更大的謎來自暗物質（約占23％）和暗能量（約占73％），我們仍然沒有任何機會找到它們。