重子都到哪里去了?寻找宇宙“缺失”的另一半重子
来源:新浪科技
发布时间:2020-07-14
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这是EAGLE计划模拟出来的宇宙网纤维结构示意图。宇宙中大部分的“正常”物质可能就存在于这样的纤维中。  这是EAGLE计划模拟出来的宇宙网纤维结构示意图。宇宙中大部分的“正常”物质可能就存在于这样的纤维中。

  新浪科技讯 北京时间7月14日消息,据国外媒体报道,面对现实吧:直到现在,我们依然对宇宙几乎一无所知。当然,我们已经确定了一些事情,比如暗物质和暗能量的存在;我们也知道宇宙大爆炸,以及星系如何在数十亿年的过程中形成、演变。然而最痛苦的是,我们知道“正常”物质(构成星系、恒星、行星和我们自身的物质)只占宇宙所有质量和能量的5%。

  更糟糕的是,在这些正常物质中,还有一半我们仍然不知道在哪里。
 

  宇宙普查

  首先,我们必须先定义什么是“正常物质”。我们日常所熟悉的物体,如电视、家具,以及天文学家观测到的各种天体、分子云等,都属于常规物质。天文学家称这些物质为“重子”物质,因为它们主要由重子组成。所谓重子,即由三个夸克组成的复合粒子,最常见的重子就是原子核里的质子和中子。因此,尽管重子物质只是宇宙这个大游戏中的一小部分——你可以消灭宇宙中的每一个星系,但宇宙历史的进程也会毫不含糊地继续下去)——但却是我们最熟悉的,所以我们称它为“正常”。

  目前,科学家还无法计算出宇宙中所有重子的数量,这一事实似乎来源于一个大胆的主张:科学家已经知道宇宙的组成,即使还无法找不到这些组成部分。不过,我们也有两大证据来帮助计算出所有重子的数量,即使还无法在望远镜中找到它们。

  首先,科学家对宇宙诞生仅十几分钟时的物理学有了相当程度的了解。一百多亿年前的那个时刻,宇宙很小、很热、密度极大,足以让第一批质子和中子(重子)从原始汤中浓缩出来。科学家对核物理已经非常了解,足以制造发电用的反应堆(和杀伤力巨大的炸弹),因此可以做出适当的预测。这些预测告诉我们宇宙中应该存在多少重子,以及轻元素(如氦和锂)与氢的比例。目前观测到的比例与理论计算预测的相同,因此科学家有信心通过更加精确的计算,为宇宙的重子数量设定一个极限。

  其次,科学家对宇宙微波背景辐射进行了深入研究。宇宙微波背景辐射是宇宙诞生后38万年时的一个壮丽光源,就在宇宙从等离子体冷却下来的时候被释放出来。凭借对等离子体物理学的足够了解,科学家对观测到的宇宙微波背景辐射和预测值进行了比较,这告诉了我们宇宙中已知的重子总数量。

  在这两种情况下,计算的结果是一致的:占宇宙质量和能量的5%。这就是宇宙能得到的所有重子。
 

  寻找重子

  重子的压缩点燃了核聚变,构成了恒星。这些恒星最终聚集在一起形成巨大的宇宙结构:星系。在同样由重子组成的地球上,我们拥有相当明确的时间来计算宇宙中所有的恒星和星系,因为它们相对来说比较明亮,而我们制造望远镜的目的正是观测它们。

  除此之外,我们还有一些计算重子的巧妙方法。我们可以观测穿过数十亿光年散射气体的光线。这些气体本身过于稀薄,无法被我们看见,但它们会吸收一些背景光,使我们能够估计出在巨大的气体云中存在着多少重子。

  再进一步,我们可以通过背景光的细微弯曲来寻找昏暗、紧凑的物体,比如黑洞或一些“流氓行星”,它们也是由重子组成的,只是不太明亮。

  总的来说,科学家已经能够解释宇宙中大约一半的重子,但这样的情况似乎有点尴尬。
 

  星系间的纤维

  这一宇宙学难题的可能解释之一,是重子的确存在于某处,但没有像恒星那样发光,也没有足够的密度来形成引力透镜,或者吸收背景光。这些“缺失”的重子可能只是在自顾自地四处游荡,与任何特别有趣的物体都没有真正的联系。

  而在更大的宇宙中,当你想远离星系的喧嚣时,你会来到宇宙的纤维状结构。这些纤维如同星系之间连接起来的又长又细的气体卷须,类似地球城市之间漫长而空旷的高速公路。

  通过计算机模拟,科学家知道了这些纤维的存在,但要测量它们却困难得多,因为它们过于薄弱。不过,最新的技术正在向我们揭开这些纤维的奥秘。如果纤维中的气体温度足够高,那么来自宇宙微波背景的古老辐射在穿过纤维时就会被激活,从而在微波成像中形成一个名为“苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应”(Sunyaev-Zel‘dovich effect,简称SZ效应)的热点。每根纤维产生的效果都非常小,几乎不可能测量,但如果将数百根纤维叠加在一起,就足以产生清晰的信号。

  科学家正在逐渐发现这些纤维的信号。在我们的宇宙中,大约有一半的重子不愿在密集的星系中逗留,而宁愿徘徊在冷寂的星际空间。

听说,打赏我的人最后都找到了真爱。