直到现在,一半的宇宙对于我们来说仍是消失的

直到现在,一半的宇宙对于我们来说仍是消失的

直到现在,一半的宇宙对于我们来说仍然是失踪或隐藏状态,从未被发现,这不是在谈论暗物质或暗能量,它们分别占我们宇宙的27%和68%。我说的只是正常的普通物质,它构成了你和我、行星、恒星和星云,以及基本上我们能看到的一切。由于这些东西大部分是由质子和中子组成的,而质子和中子是重子的形式,这被称为失踪的重子问题。

理论上我们的宇宙是由5%的重子物质组成的。但是当我们去寻找时,我们只找到2.5%。现在,你可能问的第一个问题是:"为什么我们首先要期望宇宙由5%的普通重子物质组成?" 答案是,有了这个密度,我们就可以解释我们在宇宙中观察到的不同元素的相对丰度。具体来说,就是氘与氢和氦的比例。

在一开始,比如在大爆炸之后,所有这些中子和质子都是呼啸而过。它是令人难以揣度的热,有大量的辐射。宇宙是以辐射为主的。但是,随着宇宙的扩张,它冷却到质子和中子可以开始融合在一起的程度。一个特别稳定的原子核将形成氦-4,由两个中子和两个质子组成。问题是,要形成氦-4,你首先必须形成氘,一个质子和一个中子。而且,这是一个不太稳定的原子核。当它形成后,很快就会被击碎。

但是,在大爆炸后大约10秒,宇宙已经充分冷却,氘可以形成。一旦形成,它就会迅速融合成氦。这发生的速度取决于早期宇宙中的物质密度。密度越高,这种核聚变就越快。然后,在大爆炸后20分钟,温度已经下降到足够低,以至于核聚变不能再发生。因此,在这一点上,元素丰度被锁定了。就像这一刻的快照。按质量计算,当时有75%的氢和25%的氦。这基本上仍然是我们今天在宇宙中观察到的情况。

在氢核中,每百万个中有26个是氘核。氘的神奇之处在于它是稳定的--它不会衰变。而且,自大爆炸以来,没有任何一个已知的过程能够大量地产生它。这意味着,今天宇宙中几乎所有的氘,包括自来水中每6000个氢原子中的一个,都不是在恒星中产生的,而是在宇宙大爆炸后的头20分钟内产生的。当我们看向太空深处时,我们能看到的最古老的光是宇宙微波背景辐射。宇宙大爆炸的余辉,自大爆炸后约40万年以来,一直在宇宙中畅通无阻地运行。因此,我们可以从字面上来计算这些光子,并计算出大爆炸后的辐射密度。

使用26个氘核/百万个氢核的数值,我们可以计算出重子物质与光子的比例,这就是我们如何计算出宇宙中应该有大约5%的重子物质。所以在20世纪90年代末,科学家们去寻找这些重子物质。

这是一次类似普查的宇宙探索活动。他们把所有的行星、恒星、黑洞、星系、尘埃云、气体,基本上所有你能看到或用望远镜推断出的东西都加在一起。他们发现,通常认为是我们宇宙中实际存在的东西,它只占所有重子物质的20%左右。那么其余的在哪里?好吧,并不是所有的普通物质都在发光,或者被附近的恒星照亮,这不是暗物质,但它是普通物质,只是在黑暗中。因此,如果你想找到那些重子,那么一种方法是使用背光——一个非常遥远的明亮光源,这也意味着它在非常早期的宇宙中。

而类星体是完美的背光。它们的亮度可以是整个星系的数千倍。这些光来自早期星系中心的超大质量黑洞的吸积盘,因为它吞噬了所有这些物质。由于它是如此遥远,我们从类星体收到的光是严重红移的。

例如,当一个氢原子从它的第一激发态到它的基态时发出的光,即莱曼-阿尔法转变,它在实验室中产生大约121.6纳米的紫外光。但是从类星体中可以观察到它在光谱中超过560纳米的峰值——那是黄光。迷人的是,如果你看一下这个峰值的左边,你会看到许多小的凹陷。这些是由中性氢原子产生的吸收线,它们位于我们与类星体的视线范围内。

当来自类星体的光到达中性氢时,能够将电子从基态激发到第一激发态的光子吸收。这是同样的莱曼-阿尔法过渡,但是由于这些氢气斑块离我们更近,它们的红移程度更低,所以它们在光谱中的缺口是在越来越短的波长上,说明气体离我们越近。这被描述为莱曼-阿尔法森林。它就像一张一维地图,向我们展示了在连接我们和类星体的线路上有多少中性氢气。将所有这些中性氢气加入我们的重子预算,使我们几乎达到50%。

那么,另外一半重子在哪里呢?对整个宇宙的计算机模拟表明,它们就在星系之间的这些片状或丝状物中,而且它们非常分散——每立方米只有1到10个粒子。此外,这些粒子是电离的,所以它们不像中性氢气那样吸收光线。而且它们的温度范围大约在10万到1000万开尔文之间,天文学家喜欢把这个范围称为暖热,所以这被称为暖热的星系间介质,简称WHIM。但是寻找WHIM一直是一个真正的挑战,因为它们是电离的,还有它们的温度,它们只在高能量的紫外线或低能量的X射线中发射或吸收。现在,一些人已经使用了非常复杂的技术来试图找到WHIM,但最近一个自然发生的物理现象使我们能够找到所有失踪的重子。

首先我们需要谈谈闪电,这两者是有关系的。你知道我们有可能从地球的另一端探测到闪电吗?这是因为闪电产生的电磁辐射闪耀在光谱的各个部分。我们看到的是白光,但也有广谱无线电波被释放出来,如果你在附近,你可以检测到这些脉冲。非常低频的无线电波实际上可以向上传播并离开大气层,它们沿着地球的磁场线被引导到离地球几个半径的地方,然后再返回到另一个半球,在那里它们可以被探测到。

不过,如果它们在那里被探测到,它们不会以单一的脉冲形式出现,而是以哨子的形式散开。现在,如果你通过扬声器播放这些无线电波,我们实际上可以听到它们。你听过科幻电影中激光枪的下降音吗?是的,那是我们听到的地球另一边的闪电。那么这里发生了什么?当无线电波穿过地球的磁层时,它们遇到了自由电子,这使它们变慢,更多的是低频波:这就是色散。就像棱镜将白光分离成不同的颜色一样,磁层中的等离子体将无线电波分离成不同的频率:低频比高频更慢,所以开始时是一个脉冲,最后是一个哨音。分散的数量告诉你有多少自由电子的无线电波必须通过才能到达检测器。

现在想象一下,我们可以做一些非常类似的事情来寻找宇宙中所有的电离重子。我们所需要的是在遥远的宇宙中的某个地方出现明亮的无线电波,就像2007年天文学家发现的第一个快速射电暴一样,这就像它读起来一样:一个非常短的强烈无线电波脉冲。它来自宇宙深处,来自其他星系。现在,这些脉冲可能是令人难以置信的强大,是数十亿或数万亿倍于太阳的力量,但它们持续的时间只有一毫秒。

我们并不真正知道是什么创造了它们,尽管有些人怀疑是磁星或中子星,或者是这些非常强大的大质量物体如黑洞和中子星之间的某种碰撞。但是对于我们的目的来说,我们只需要知道这些闪光的存在,并且我们可以利用它们来观察它们的散布情况,并计算出我们和源头之间有多少电离重子。

而这正是发表在《自然》杂志上的一篇论文所做的:他们绘制了这些快速射电暴的色散测量值与它们的主星系红移的关系。他们发现这些快速射电暴距离越远,其信号到达地球时就越分散。事实上,利用他们的测量结果,他们能够估计出那里的重子物质总量,这包括WHIM中的所有电离粒子,他们发现那是百分之五。

他们找到了失踪的重子。大约有50%的重子在那个温热的星系间介质中,所以这验证了我们一直以来的想法。让我们感到惊讶的是,大爆炸产生的普通物质中,最终出现在恒星和星系等事物中的物质是如此之少,我们通常认为这是宇宙的最多组成部分。现在我们认识到那只是所有重子物质的10%或20%。


所以事实证明,这些有趣结构的形成是一个非常低效的过程。但是这一发现是科学的又一次胜利。几十年前的那些计算机模拟结果在很大程度上是正确的,因此应该祝贺所有参与的人。但这也突出了我们认知上科学家和非科学家之间的区别。

非科学家喜欢正确,他们喜欢事情的结果与他们预期的一样,但另一方面,科学家希望事情的结果与他们预期的不一样,因为这就是我们获得线索,探索还有哪些新的物理学有待发现的方式。

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