宇宙“失踪物质”搜寻史：人类耗费数十年时间验证

Daphane

來源: 新浪科技

科学家早在多年前就知道，宇宙中有许多不知藏在何处的“失踪物质”。但寻找它们为何耗费了这么久呢？

　　新浪科技讯 北京时间10月16日消息，据国外媒体报道，宇宙也会玩“捉迷藏”。然而，有时尽管天文学家对“猎物”的藏身之处有所预感，但要证实这种预感，则要耗费数十年时间。宇宙中的“失踪物质”就是这样一个例子。这些物质就像一个迷人的传说。宇宙模型为我们画下了这张“宝藏图”，科学家则足足花了20年时间来探索。
　　上世纪80年代，科学家首次意识到，我们只能观察到宇宙中全部原子物质（又称重子）的一部分。（如今我们已经知道，所有重子加起来的质量仅占宇宙的5%左右，其余都是暗能量和暗物质。）当时的科学家很清楚，如果把宇宙中所有能观察到的物质加起来，便会发现它们只占全部重子的一小部分，其余大部分重子都不知所踪。
　　但这些失踪的物质究竟有多少？它们可能藏在哪里？这些问题自90年代以来变得愈加尖锐。当时，加州大学圣地亚哥分校天文学家戴维•泰特勒提出了一种利用夏威夷凯克望远镜光谱仪测量遥远类星体光线中氘含量的方法（中心存在活跃黑洞的星系的明亮核心部分称为类星体）。泰特勒的数据帮助研究人员了解到，如果把可见的恒星和气体都算上，当今宇宙中究竟失踪了多少重子：答案是惊人的90%。
　　这些结果引发了大量争议，而泰特勒本人的性格也起到了“煽风点火”的作用。“尽管当时有大量看似相左的证据，他仍然坚持己见，差不多把其他人都说成了不知道自己在干嘛的白痴。”爱丁堡大学天文学家罗米尔•戴夫解释道，“当然，事后证明他的确是对的。”
　　1998年，普林斯顿大学天体物理学家杰里迈亚•奥斯特莱克和岑仁月（Renyue Cen，音译）发表了一套具有重大意义的宇宙模型，追溯了自宇宙诞生以来的历史。该模型显示，这些失踪的重子也许以弥漫气体的形式、飘散在各个星系之间。
　　戴夫本可能抢在奥斯特莱克和岑仁月之前、成为第一个宣布失踪重子所在之处的人。就在后者的论文发表前几个月，戴夫已经完成了自己的一系列宇宙模拟研究。这是他在加州大学圣克鲁斯分校博士研究工作的一部分。他在博士论文中指出，重子可能潜伏在星系之间的等离子体中。“我当时并未充分意识到该结果的重要性，”戴夫表示，“没办法，有得必有失。”
　　在此之后，戴夫又针对这一问题研究了多年时间。他是设想，这些失踪的物质可能隐藏在维系各星系的极高温弥漫气体构成的细丝中。戴夫为此自创了一个天文学术语，叫做“暖热星系际介质”，简称（WHIM）。
　　许多天文学家仍然怀疑，星系外围可能存在一些非常暗淡的恒星，它们也许占去了失踪物质的一大部分。但在多年搜寻之后，即使把人类能观察到的最暗淡的恒星也算在内，所有恒星中的重子总和也不到整个宇宙的20%。
　　近年来，越来越多的精密仪器开始上线。2003年，威尔金森微波各向异性探测器测出了宇宙大爆炸后约38万年时的宇宙重子密度，结果与宇宙模型的预期相同。10年后，普朗克卫星进一步证实了该测算结果。
　　科罗拉多大学波尔多分校天体物理学家迈克尔•沙尔指出，由于科学家最终没能找到可能藏有失踪物质的隐藏恒星或星系，“注意力开始转向星系之间的气体，即分散在相隔数十亿光年的星际空间中的星系际介质。”沙尔和他的团队试图通过暖热星系际介质对遥远类星体光线的影响来搜寻此类物质。氢、氦、以及更重元素（比如氧）的原子会吸收类星体所释放光线中的紫外线和X射线辐射。沙尔解释道，这些气体“相当于从类星体光束中偷走了一部分光线”，形成吸收谱线。只要能找到这些吸收谱线，就能找到相应气体。
氢和离子化氧的吸收谱线主要分布在短波长段，即紫外线和X射线所在波段。但对天文学家而言不幸的是（对其它地球生物则非常幸运），地球大气会把这些光线阻挡在外。因此要想解决宇宙中的失踪物质之谜，天文学家需要发射X射线卫星，才能绘制出这些光线的图像。沙尔指出，利用吸收谱线分析法，科学家总算“找齐了宇宙大爆炸形成的绝大部分重子。”
　　其它团队则另辟蹊径，通过间接方法寻找失踪的重子。包括沙尔团队在内，目前已有三支团队称自己已经找齐了所有的重子。
　　但由于暖热星系际介质极为微弱稀薄，这个问题还很难结案。“多年来，研究人员之间针对暖热星系际介质展开了多次讨论，有人称自己探测到了此类物质，有人则予以反对。”巴尔的摩太空望远镜科学研究所主任肯尼斯•桑巴奇表示，“我猜今后还会出现更多。近期的一些论文似乎在这张复杂而有趣的宇宙‘拼图’上又添上了一块。我相信今后还会补上更多块，相关讨论也会随之展开。