宇宙中“失踪”的普通物质藏在哪里？

失踪的普通物质

宇宙中绝大多数可观测的普通物质都由重子构成。重子是一类亚原子粒子，包括质子和中子，原子的大部分质量正是由它们贡献的。

几十年来，当天文学家把能观测到的普通物质加起来时，却发现还有大量普通物质下落不明。那么，那些“失踪”的普通物质究竟去了哪里？科学家认为，很可能就分布在星系之间的空间中！

但是，宇宙极其广阔，其余的普通物质可能以极低的密度存在——每立方米大约只有一个质子，因此极难探测。近年来，科学家发现，快速射电暴或许能帮助我们追踪这些失踪的物质。

在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，一个国际研究团队开发了一种新方法：将星系的位置与快速射电暴的观测结果结了合起来，揭示了广阔星系际空间中的失踪物质。总体而言，研究发现，星系越密集的地方，其周围往往也存在越多的失踪物质。

用快速射电暴寻找物质

快速射电暴是一种极其明亮、仅持续几毫秒的射电脉冲。自2007年首次被发现后，天文学家已经探测到数千个这种神秘而短暂的信号。

快速射电暴之所以非常适合探测失踪物质，是因为它们具有一种特殊性质：它们发出时原本是一次极其短促的闪光，但在穿过物质的过程中，不同频率的射电波会产生不同的传播延迟，从而在时间上逐渐被拉开。我们可以非常精确地测量这种色散造成的时间延迟，而它与快速射电暴沿途穿过的失踪物质数量直接成正比。

此前，研究人员已经利用快速射电暴不同频率成分之间的色散延迟，探测星系周围难以直接观测的重子物质。这些研究已经证实，在广阔的星系际空间中确实存在稀薄的气体云。

绘制失踪物质地图

在新的研究中，研究团队希望更进一步。他们不仅想确定星系周围是否存在这些气体，还希望描绘失踪物质围绕星系的空间分布。通过将数千个快速射电暴的测量结果与数百万个星系的位置进行交叉关联，他们绘制了星系周围失踪物质的空间形态。

研究所使用的数据来自加拿大氢强度测绘实验（CHIME）和暗能量光谱仪（DESI）巡天这两个观测项目。CHIME是一座位于加拿大的大型射电望远镜，设计目标是扫描整个北部天空，搜寻来自宇宙的射电波。该望远镜对持续时间极短、亮度极高的射电信号十分灵敏。自开始观测以来，CHIME已经在天空中探测到大约4000个快速射电暴。DESI安装在美国基特峰国家天文台的梅奥尔望远镜上。它对超过3000万个星系发出的光进行精细测量，以帮助估算暗能量的性质。暗能量是一种推动宇宙加速膨胀的神秘力量。

研究人员从CHIME的探测目录中选取并分析了2870个快速射电暴信号，每个信号都是一次包含多个波长、覆盖不同频率的射电波爆发。高频信号较少受到沿途物质的影响，因此会先抵达探测器；低频信号则受到更明显的色散延迟，因此会更晚到达。

快速射电暴信号在天空中的空间分布（上），与星系的空间分布（下）对比。研究发现，这两种分布之间存在显著相关性，从而揭示了宇宙中失踪的重子物质。（图/Haochen Wang）

研究团队测量了每个快速射电暴不同频率成分之间的色散延迟，并据此推算信号在抵达CHIME探测器前沿途穿过了多少物质。随后，他们将这些测量结果与DESI数据所提供的600多万个星系的位置进行交叉关联。通过这种方法，他们可以寻找失踪物质与星系之间的空间关联，并测量失踪物质相对于星系如何分布。

星系喷泉

分析结果揭示出一种清晰的分布模式：失踪的重子物质往往出现在星系和星系团周围。但它们并不是以致密球状结构聚集在星系附近，而是分散在一个很大的半径范围内，仿佛一团向外弥散的云雾。

研究结果支持了这样一种观点：黑洞喷流、恒星爆发，以及星系内部其他高能过程，会将物质抛射到星系之外。更重要的是，研究表明，这些过程释放的能量可能比科学家此前认为的更强。

星系（图中的白点）周围的模拟气体分布（蓝色、绿色和黄色区域）。研究发现，真实宇宙中的气体向外延伸得比大多数模拟预测的更远，这表明星系内部存在强烈活动，将气体从星系群附近向外驱逐。（图/IllustrisTNG）

这意味着，星系内部的活动比原先设想的更为复杂和混乱。研究人员解释道，星系更像一座座喷泉，能够把气体真正推送到非常遥远的地方。一个星系的直径通常只有几十万光年，但研究人员在距离星系约400万光年的范围内仍然发现了失踪物质。这比模拟所预测的距离远了很多。

一种新的宇宙物质探针

这项新研究表明，快速射电暴可以成为寻找失踪物质的一种可靠方法，它不仅能够判断失踪物质是否存在，还能够确定它们分布在哪里。

绘制失踪物质的分布形态，有助于理解星系如何形成，以及它们如何与周围环境相互作用。研究团队表示，随着CHIME继续探测到更多快速射电暴，这种方法的精度还将不断提高。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2026/missing-matter-diffuse-puffs-surround-most-galaxies-0721

https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/chime-collaboration-helps-identify-location-missing-matter-universe-373578

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/9th9-qc51

#图片来源：

封面图&首图：IllustrisTNG via MIT News