什么是重子丢失问题?

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在分析了“宇宙微波背景辐射”,或者说是大爆炸后遗存的辐射量之后,天文学家估计普通物质或重子物质,组成宇宙天体例如恒星、行星和我们的质子和重子占宇宙总内含物的85%。重子物质不同于更难以捉摸的暗物质,它组成了宇宙超过80%的部分,但仍然探测不到。   然而,当观测银河系和附近的其他星系时,天文学家只发现不到预期的一半的重子量。   “我们从宇宙大爆炸的测量中知道在宇宙开始时有多少物质,但当我们看向如今的宇宙时,我们找不到理应存在物质的一半,这实在是很尴尬。”国际射电天文学研究中心柯廷大学副教授,这项新研究的主要作者Jean-Pierre Macquart在一份声明中这样说道。     重子丢失问题一直是科学家关于早期宇宙和行星形成模型拼图中最关键的其中一块。   科学家在过去20年左右间花费了相当多的时间寻找这种消失的物质,但找到它是个巨大的挑战,因为这种物质不会发出任何光,而且宇宙还是如此的空阔。“找消失的物质就相当于一间普通大小的办公室里的找一两个原子”,Macquart说道。   为了找到这种消失的物质,这项新研究背后的研究者们转向另一个宇宙谜题:快速射电暴。     图 1望远镜正在搜寻快速射电暴,当它们在宇宙中发光时。图源ICRAR and CSIRO/Alex Cherney   射电爆发是持续数毫秒的密集无线电信号,与太阳80年释放的能量相当。然而,即使他们在2017年他们发现了它们,天文学家仍然不清楚它们从哪里产生。   但这对新研究没有影响,这组科学家反而用快速射电暴当作“宇宙称重站”。     使用英联邦科学和工业研究组织的澳大利亚平方公里阵列探路者(ASKAP)射电望远镜,研究者们探测到了快速射电暴并判定了它们在其主星系的位置。据研究者所说,他们能将快速无线电爆发的位置精确到200米外一根人类头发宽度那么准。   来自快速射电暴的辐射被消失的物质分散,就和阳光的颜色被棱镜色散的方式一样。     图 2当遇到缺失物质时,快速射电暴被弥散,图源ICRAR   这个团队还确定了快速射电暴是什么和它在宇宙中穿行时如何被分散的关系。最终,他们计算出了减慢快速射线爆发大概要遇到多少电子。   但是研究指出,虽然学者们认识到缺失物质就在那儿,但下一步还是要确定“它们”确切在哪里。   研究摘要:宇宙中超过四分之三的重子处于高度扩散状态,所以很难被检测到,只有一小部分能在星系和星系团中直接观测到。现今对宇宙的观测已经使用吸收线光谱法来观测不可见的重子。但是这些测量结果严重依赖不确定的校正,并且对宇宙的大部分星体的体积及其质量并不敏感。特别是类星体光谱不仅对原子态中存在的极少量氢,和星系附近密度较大的高度电离和富集气体都很敏感。     观察这些不可见重子的其他技术也有局限性:Sunyaev-Zel-dovich分析可以提供火焰结构内气体的证据,而对X射线发射的研究对星系团附近的气体最为敏感。现在我们提出一个测量宇宙中重子含量的方法,即利用局部快速射电暴的样品的弥散,这项技术确定了沿着每一条视线的电子柱密度,并计算了每一个电离重子。我们用四个新的定位点,在主星系中测量到红移分别为0.291、0.118、0.378和0.522,这就组成了一个足够大的样本,足以解释视线和主星系环境中的色散变化,我们得出宇宙重子密度Ωb=0.051-0.025h+0.02170-1(95%置信度;h70=H0/(70 km s-1 Mpc-1),H0是哈勃常数)。这个独立的测量结果与宇宙微波背景和大爆炸核合成得到的数值一致。

在分析了“宇宙微波背景辐射”,或者说是大爆炸后遗存的辐射量之后,天文学家估计普通物质或重子物质,组成宇宙天体例如恒星、行星和我们的质子和重子占宇宙总内含物的85%。重子物质不同于更难以捉摸的暗物质,它组成了宇宙超过80%的部分,但仍然探测不到。
 
然而,当观测银河系和附近的其他星系时,天文学家只发现不到预期的一半的重子量。
 
“我们从宇宙大爆炸的测量中知道在宇宙开始时有多少物质,但当我们看向如今的宇宙时,我们找不到理应存在物质的一半,这实在是很尴尬。”国际射电天文学研究中心柯廷大学副教授,这项新研究的主要作者Jean-Pierre Macquart在一份声明中这样说道。
 
 
重子丢失问题一直是科学家关于早期宇宙和行星形成模型拼图中最关键的其中一块。
 
科学家在过去20年左右间花费了相当多的时间寻找这种消失的物质,但找到它是个巨大的挑战,因为这种物质不会发出任何光,而且宇宙还是如此的空阔。“找消失的物质就相当于一间普通大小的办公室里的找一两个原子”,Macquart说道。
 
为了找到这种消失的物质,这项新研究背后的研究者们转向另一个宇宙谜题:快速射电暴。
 
 
图 1望远镜正在搜寻快速射电暴,当它们在宇宙中发光时。图源ICRAR and CSIRO/Alex Cherney
 
射电爆发是持续数毫秒的密集无线电信号,与太阳80年释放的能量相当。然而,即使他们在2017年他们发现了它们,天文学家仍然不清楚它们从哪里产生。
 
但这对新研究没有影响,这组科学家反而用快速射电暴当作“宇宙称重站”。
 
 
使用英联邦科学和工业研究组织的澳大利亚平方公里阵列探路者(ASKAP)射电望远镜,研究者们探测到了快速射电暴并判定了它们在其主星系的位置。据研究者所说,他们能将快速无线电爆发的位置精确到200米外一根人类头发宽度那么准。
 
来自快速射电暴的辐射被消失的物质分散,就和阳光的颜色被棱镜色散的方式一样。
 
 
图 2当遇到缺失物质时,快速射电暴被弥散,图源ICRAR
 
这个团队还确定了快速射电暴是什么和它在宇宙中穿行时如何被分散的关系。最终,他们计算出了减慢快速射线爆发大概要遇到多少电子。
 
但是研究指出,虽然学者们认识到缺失物质就在那儿,但下一步还是要确定“它们”确切在哪里。
 
研究摘要:宇宙中超过四分之三的重子处于高度扩散状态,所以很难被检测到,只有一小部分能在星系和星系团中直接观测到。现今对宇宙的观测已经使用吸收线光谱法来观测不可见的重子。但是这些测量结果严重依赖不确定的校正,并且对宇宙的大部分星体的体积及其质量并不敏感。特别是类星体光谱不仅对原子态中存在的极少量氢,和星系附近密度较大的高度电离和富集气体都很敏感。
 
 
观察这些不可见重子的其他技术也有局限性:Sunyaev-Zel-dovich分析可以提供火焰结构内气体的证据,而对X射线发射的研究对星系团附近的气体最为敏感。现在我们提出一个测量宇宙中重子含量的方法,即利用局部快速射电暴的样品的弥散,这项技术确定了沿着每一条视线的电子柱密度,并计算了每一个电离重子。我们用四个新的定位点,在主星系中测量到红移分别为0.291、0.118、0.378和0.522,这就组成了一个足够大的样本,足以解释视线和主星系环境中的色散变化,我们得出宇宙重子密度Ωb=0.051-0.025h+0.02170-1(95%置信度;h70=H0/(70 km s-1 Mpc-1),H0是哈勃常数)。这个独立的测量结果与宇宙微波背景和大爆炸核合成得到的数值一致。

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