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宇宙黑户落网记寻找看得见的暗物质!都要读的一篇文章

  如果说一个国家有三分之一的黑户。或者一个人账户里有三分之一的钱花不了。那估计不少人要疯了!
  但可怜的天文学家们,却不得不长期面对这样的灵魂拷问。
  这就是缺失重子难题。
  但最近,这个难题取得了重大突破!
  体脂率卡尺
  人有体脂率,国家有GDP比率。
  仰望星空时,人们也不禁好奇。这个宇宙是按什么比率组成的?
  追寻这个问题的脚步从未停止过!
  我们都知道宇宙充满了看不见的暗物质和神秘的暗能量。
  尽管不清楚"两暗"到底是什么,但科学家们测出了他们在宇宙总能量中的占比。
  你所认识的一切都在那5%里
  但很多人可能不知道的是,还有另外一个大bug!
  它藏在我们司空见惯的5%里——普通物质的很大一部分缺失了!
  所谓普通物质,就是组成你我的物质。
  物理上叫"重子",指粒子标准模型里由三个夸克组成的粒子。
  这找不着的普通物质可不是一丢丢,而是占所有重子的百分之三十!
  堪称"宇宙级黑户"!
  如此惊人的结论,科学家们是如何得出的!?
  这依赖于两种不同的测量方法。
  第一种,通过倾听宇宙大爆炸的回响——微波背景辐射,能得到一个重子总量。
  第二种,通过观测星系、星系团、气体云,可以得到另一个重子总量。
  因为第一种方法的综合可靠性更高,所以科学界以它为准。
  问题就由此产生了。
  大爆炸告诉我们肯定有这么多重子,可实际观测只看到了百分之六十。
  那剩下的重子哪去了?
  重子的组成,图片来源:Shull et al. 2012
  从上图可以看到,重子物质其实只有很小一部分聚集到了星系中。
  它们变成了恒星、中子星、黑洞...以及我们这颗星球上的一切。
  而更多的重子则弥散在各种尺度的空间中。
  在恒星之间、在星系之间、在星系团之间。
  这些空间巨大到超出了人类想象力。
  但天文学家仍然是有办法测量它们的。
  因为这些弥散的气体,会吸收背景的光,也会再发射出特定的光。
  便能够通过吸收和发射的光谱发现它们。
  测量过程当然是复杂而艰辛的。
  概括起来就是,客厅找过了,卧室也找过了,厨房厕所都找过了。
  就是找不到那百分之三十!
  这部分重子可真是躲猫猫的行家啊。
  很长一段时间里这样的状况没有大的变化。
  一转眼多少头发茂密的研究生,已变成了大腹便便的教授了。
  终于,今年三月《nature》上发表了一篇论文。
  澳大利亚的ASKAP望远镜团队宣布,黑户逮着了!
  帮助天文学家破案的,是一种新型天文现象——快速射电暴。
  这种现象在观测上和脉冲星颇为相似。
  都是在和手机通讯相近的频道上,毫秒量级的瞬时脉冲。
  更巧的是,和脉冲星刚发现时一样,他们也被媒体大量报到成外星文明的信号。
  来自银河系外的快速射电暴
  尽管快速射电暴的起源还没有研究清楚,但他们已经成了研究其他问题的天文学家眼里的宝物。
  因为尽管一直以来,其实有各种方法可以探测不同状态下的重子分布。
  但是,他们总有不同的适用范围。
  天文学家们苦于缺乏一种能同时探测不同温度、密度、距离下重子的方法。
  快速射电暴便是天文学家们梦寐以求的新工具。
  和以往通过光谱探测不同。
  快速射电暴能够通过时间延迟探测到路径中的重子。
  因为光速只有在真空中是一个常数。
  但实际上,哪有完美的真空?
  宇宙中总是弥散着哪怕非常稀薄的物质。
  在非真空里,不同能量的光子,速度便有了些微的差异。
  这种差异在高频段是可以忽略的。
  只有在射电的特定波段,会变得明显。
  而且快速射电暴又发生在遥远的星系。
  长路漫漫,这一点速度差异最终会变成肉眼可见的到达时间差。
  在介质中,波长短的光速度更快
  这个延迟的大小,就反应了路径上物质的多少。
  从各个不同方向距离收集这样的数据,便仿佛宇宙做了一次重子人口普查。
  科学家们由此计算,发现推出的重子量便不再有缺失了。
  这说明,那些重子就在我们与遥远星系的中间。
  虽然理论上这样的预言一直就存在。
  因为星系之间有非常稀薄的纤维状结构,科学家们一直怀疑,正是它们过于暗弱,所以不在先前的探测能力内。
  快速射电暴的观测,有力地证实了这种想法。
  黑户们终于落网了!
  宇宙大尺度结构
  在这张图中,每一个微小的光点都是一个星系。
  我们可以看到游丝一般的结构如何连接在星系和星系团之间。
  黑户们就是匿藏在这些密度极低的结构中。
  最后,这篇论文的团队还做了非常棒的科普视频。
  非常震撼,大家可以找来请大家观赏!

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