宇宙中三分之一的普通物质,都藏哪里去了?

图片来源:Chandra X-ray Center

宇宙中近三分之一的质量仍然无法“找到”,有观点认为它们可能以温-热星系际介质(WHIM)的形式存在。来自钱德拉 X 射线天文台的观测结果为这一观点提供了支持。

撰文 钱德拉X射线天文台

翻译 LYM

审校 戚译引

来源 科研圈(ID:keyanquan)

几十年来,天文学家们一直在寻找一样听起来很难丢失的东西:宇宙中大约三分之一的正常物质。美国国家航空航天局(NASA)的钱德拉 X 射线天文台(Chandra X-ray Observatory)的最新研究结果可能有助于解开谜团。

通过对独立、完善的观测结果进行汇总,科学家们已经有信心计算出在大爆炸刚刚发生后存在多少正常物质,即氢、氦和其他元素。在大爆炸发生的最初几分钟到大约第一个 10 亿年之间的时间里,大部分的正常物质变成了宇宙尘埃、气体或其他物体,例如现在我们可以用天文望远镜看到恒星和行星。

然而问题在于,当天文学家把当前宇宙中所有正常物质的质量加在一起的时候,其中大约三分之一的质量无法找到。(这类缺失的物质与仍然神秘的暗物质不同。)

有一种观点是,在星系际空间中,缺失的质量聚集成巨大的股状或丝状的温暖气体(温度低于 100,000 开尔文)和热(温度高于 100,000 开尔文)气体。这些细丝状气体被天文学家称为温-热星系际介质(warm-hot intergalactic medium,WHIM)。 它们对于光学望远镜是不可见的,但是一些丝状气体已经在紫外线波段被探测到。

基于钱德拉 X 射线天文台和其它天文台的数据,研究人员借助一种新技术,发现了热星系际介质存在的新的有力证据。

“如果我们找到了缺失的质量,我们就可以解决天体物理学中最大的难题之一,” 哈佛-史密森尼天体物理学中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics,CfA)的奥尔索亚▪科瓦奇(Orsolya Kovacs)说,“宇宙把那么多组成恒星、行星和我们的物质藏在哪里呢?”

利用钱德拉天文台,天文学家沿着从地球到一颗类星体的路径寻找和研究状温暖气体,类星体是明亮的X射线源,由快速增长的超大质量黑洞驱动,研究中这个类星体位于离地球约 35 亿光年的地方。如果 WHIM 中的热气体成分与这些丝状结构有关,那么来自类星体的一部分 X 射线将被热气体吸收。因此,他们在钱德拉天文台探测到的类星体 X 射线中寻找热气体的特征。

图片来源:NASA/CXC/K. Williamson, Springel et al.

这种方法的挑战之一是,与来自类星体的 X 射线总量相比,星系际介质吸收的信号较弱。在整个 X 射线光谱中搜索不同波长时,很难将这种微弱的吸收特征(即星系际介质的实际信号)和随机波动区分开来。

为了克服这一问题,科瓦奇和她的团队只将搜索范围集中在 X 射线光谱的某些部分,这减少了假阳性的可能性。首先,他们识别出靠近地球到类星体视线、距离与该类星体相当的星系,这些区域就是从紫外线波段数据中探测到的热气体所在的地方。借助这项技术,他们鉴定出了 17 个可能存在于类星体和我们之间的丝状结构,并得出了它们的距离。

由于宇宙膨胀会拉伸传播中的光,丝状结构在光传播的过程中会向外延伸,因此这些细丝中物质对 X 射线的任何吸收都会向长波长方向进行红移。红移的多少取决于到丝状体的已知距离,因此研究小组可以知道,为了找到星际间介质的吸收光谱,应该在什么位置进行搜索。

“我们的技巧类似于如何在非洲广阔的平原上有效地搜索动物,”来自 CfA 的合著者阿克斯•博格丹(Akos Bogdan)说,“我们知道动物需要喝水,所以先在水坑周围寻找是有意义的。”

在缩小搜索范围的同时,研究人员还必须克服X射线吸收微弱的问题。因此,他们将 17 根丝状体的光谱加在一起,将 5.5 天的观测结果转化为相当于 100 天的数据,从而增强了信号。利用这项技术,他们检测到了氧,其特征表明它存在于温度约为 100 万开尔文的气体中。

研究人员报告,通过将对氧元素的观测结果推广到所有元素,以及将观测区域外推到局部宇宙,他们可以解释完全数量的失踪物质。至少在这种特定的情况下,丢失的物质隐藏在星际间介质中。

来自 CfA 的论文共同作者兰德尔·史密斯(Randall Smith)说:“我们很高兴能够找到一些丢失的物质。在未来,我们可以将同样的方法应用到其他类星体数据中,以确认我们是否真的破解了这个长期存在的谜团。”

原始论文:

Detection of the Missing Baryons toward the Sightline of H1821+643

本文转载自公众号“科研圈”(ID:keyanquan)

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