#新浪科技#重子都到哪里去了？寻找宇宙“缺失”的另一半重子新浪科技2020-07-14 09:25:090阅
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图1/2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 。
【#新浪科技#重子都到哪里去了？寻找宇宙“缺失”的另一半重子新浪科技2020-07-14 09:25:090阅】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 。 （任天）
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图2/2
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