重子都到哪里去了？寻找宇宙“缺失”的另一半重子

发表于 4年以前 | 总阅读数：514 次

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。

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。