天文学家宣称已发现“宇宙中丢失的重子物质”去哪了

　　据《科学》杂志消息，宇宙学家们现已大致了解在宇宙大爆炸后的20分钟内，有多少数量的氢元素和氦元素被制造出来。这个数字是通过研究宇宙大爆炸的余辉——一种被称为“宇宙微波背景辐射”（CMB）而得出，研究结果表明，我们的宇宙是由约70%的暗能量、23%的暗物质，以及只占4.6%的普通重子物质所组成。然而，观测到的恒星、星系等总共才占了普通重子物质的10%，而这还不到宇宙中本来应该存在的重子物质数量的一半，约90%的重子物质似乎丢失了。

　　超级计算机的模拟计算结果显示了星系和星系团是如何形成这种被称为“宇宙网”的宇宙大尺度结构的过程

　　“你知道的，这就有点尴尬了”，普林斯顿大学的天文学家Renyue Cen说，尽管他并不是此次对于“丢失的重子物质”的最新解释的研究人员之一。“不仅我们知道的大部分物质是暗物质，知道的大部分能量是暗能量，即使是这5%左右的正常原子（也就是普通重子物质），其中的大部分也都观测不到，像是丢失了。”

　　研究人员认为他们知道这些“丢失的”重子去了哪。按照描述早期宇宙如何演化的标准宇宙学模型，宇宙中充满了大量暗物质带，而星系就镶嵌在其中被称为“宇宙网”的结构中。科学家们猜测那些失踪的原子位于分布在星系之间的高度电离的弥散气体云中。这些气体云被称为“温热星系际物质”（WHIM），其温度高达上百万度，能发射出X-射线，但是由于WHIM十分稀薄，因而难以被观测到。借助像哈勃太空望远镜这样能在紫外线波段进行观测的天文望远镜，天文学家已经能发现足够多的WHIM，它们可以解释约50%至70%的“丢失的”重子物质，但是仍然有相当数量的（20%以上）“丢失的”重子物质需要给出合理的解释。

　　在此项新的研究工作中，一个来自爱丁堡大学的研究团组试图通过宇宙微波背景辐射（CMB）自身来弄清“宇宙网”上的WHIM分布。随着宇宙的膨胀，宇宙微波背景辐射的光子不断地发生波长红移，直到今天我们所看到的3K温度（当前CMB辐射的谱特征相当于一个温度为3K的黑体所发出的辐射的特征）。当这些CMB光子与“宇宙网”上分布的重子物质的电子相互作用时，光子就能通过与电子碰撞获得能量，其波长也会稍稍变短（波长蓝移），这种现象也就是所谓的“Sunyaev-Zel’dovich效应”或“SZ效应”。因此，通过寻找SZ效应，研究人员就能找到“宇宙网”上的“温热星系际物质”（WHIM）的分布。

　　SZ效应十分微弱，只能使CMB光子的波长缩短约千万分之一。为了得到足够强的可被探测到的信号，研究人员研究了斯隆数字巡天中发现的一百万对星系，每个星系对的星系之间的间距大致相等，然后把这些星系对的图像进行叠加处理。显然，这样就能从合并叠加的图像中分辨出SZ效应了，并以此提供了一种估算与较冷的微波光子进行相互碰撞作用的炽热重子物质的数量的途径。相关的研究报告已发表在9月29日的arXiv预印本网站上。

　　这项研究工作的结果表明，“宇宙网”上的物质密度是宇宙的平均密度约6倍，这样密集的物质密度足以解释剩下那“缺失”的约30%的重子物质。另一项独立的利用SZ效应对26万个星系对的研究也得出了相似的结论，相应结果也发表在9月15日的arXiv预印本网站上。

　　一些专家也对此发现持不同意见。“该研究的前提让我感到担心”，科罗拉多大学波尔得分校的天文学家Michael J. Shull说，“研究假设两个星系间纤维状结构上的气体正好沿着视线方向分布的，然而这个假设很可能并不正确。”他强调，实际上更有可能是一种更为复杂的三维的物质分布情形。

　　很有可能需要通过新一代X-射线望远镜的观测才能最终解决“丢失的重子问题”。普林斯顿大学的Cen认为，一旦新一代的X-射线望远镜得以投入观测运行，利用SZ效应的技术也能提供一种独立的可以证实X-射线望远镜的发现的方法。

本文由中国科学院国家天文台研究员郑永春进行科学性把关