星星和星系构成了宇宙中大部分可观测的普通物质。然而，几十年来，科学家们一直在面临一个宇宙冲突：宇宙中应该有更多的物质。物理学家对早期宇宙中物质的存在量有良好的估计。在大爆炸后，约83%的宇宙物质由不可见的暗物质组成，剩下的则是普通物质。然而，这些估计值超过了今天在星星和星系中观察到的普通物质的量。那么，所有缺失的普通物质去哪里了呢？
现在，MIT的科学家们作为CHIME/FRB合作项目的一部分，利用遥远的无线电信号揭示了星系之间广阔空间中的缺失物质。该团队开发了一种新方法，通过将星系的位置与快速无线电爆发（FRB）的探测结合，来搜索缺失物质。FRB是一种超亮的毫秒级无线电波闪光，由遥远宇宙中极其能量巨大的现象发出。随着信号在空间中的传播，FRB信号会在时间上被拉伸或“模糊”。通过的缺失物质越多，信号的模糊程度就越高。
MIT领导的团队测量了在地球上探测到的数千个FRB信号经历的模糊程度。然后，他们将每个FRB的模糊与宇宙中星系的位置进行比较，以确定FRB模糊的多少是由于星系物质造成的，而其他缺失物质则是如何影响的。新方法不仅揭示了缺失物质的存在，还指出了其位置。具体而言，研究人员发现这些物质存在于环绕星系团的非常稀疏的云团中，这些云团的范围远超科学家的预测。
“我们发现，总体上，星系越多，周围缺失的物质往往也越多，”MIT卡夫利天体物理与空间研究所的研究生王浩晨说。研究结果今日发表于《物理评论快报》，支持了物质通过黑洞喷流、爆炸恒星和其他高度能量过程被抛出星系的理论。更重要的是，研究结果表明这些过程比科学家们之前认为的更加剧烈。
“我们发现缺失物质被推向更大范围，”MIT物理副教授增井清说。“这些测量表明，恒星活动和黑洞活动比预测的要强烈得多。”增井和王是新研究的共同作者，研究还包括MIT的Shion Andrew、Adam Lanman、Kenzie Nimmo和Ryan Raikman，以及来自多个其他机构的合作者，作为CHIME/FRB合作的一部分。
在宇宙中，绝大多数可观测的普通物质是由重子构成的——这是一种包括质子和中子的亚原子粒子，构成了大多数原子的质量。科学家们估计，在大爆炸后的早期宇宙中，仅有17%的物质是由这种“重子”物质构成的。随着科学家的认识加深，这种物质的总量并不完全符合预期。所有恒星、星系和星系云的总质量约为早期宇宙中重子物质的十分之一。必然还有更多物质，可能存在于星系之间。
然而，宇宙是浩瀚的，任何剩余的物质可能存在于极低的密度下，约为每立方米一个质子，检测起来极具挑战性。然而，增井和其他人最近发现，可以利用快速无线电爆发来探测这些缺失物质。FRB于2007年首次被发现，自那时起，天文学家们从遥远的星系检测到几千个这种神秘的超短信号。
“FRB之所以适合探测缺失物质，是因为它们具有特殊的性质，”王说。“它们开始时是一个非常快速的闪光，经过物质后会在时间上模糊。而我们可以非常精确地测量这种模糊程度，这与FRB经过的缺失物质量直接成正比。”
研究人员之前利用FRB的模糊特性检测了星系周围的缺失物质。这些努力确认了在星系之间的广阔空间中存在稀薄云团。增井和王想更进一步。“我们不仅仅是在探测气体是否与星系在一起，而是看到了星系周围缺失物质的形状，”王说。“通过映射缺失物质的形状，我们可以理解星系是如何形成的，以及它们如何与环境相互作用。”
在他们的新研究中，团队通过将数千个FRB测量与数百万个星系的位置进行交叉关联，绘制了星系周围缺失物质的形状。他们使用了来自两个来源的数据：加拿大氢强度映射实验（CHIME）和暗能量光谱仪（DESI）调查。CHIME是位于加拿大不列颠哥伦比亚省的大型无线电望远镜，旨在扫描整个北半球的无线电波。该望远镜对超短、超亮的无线电信号敏感，自开始观测以来，CHIME已探测到约4000个快速无线电爆发。
DESI是安装在亚利桑那州基特峰国家天文台的梅约望远镜上的一台仪器，能够详细测量来自3000多万颗星系的光，以提供暗能量的估计。
从CHIME的探测目录中，CHIME/FRB合作的成员分析了2870个FRB信号。每个信号是来自多个波长的无线电波的闪光，从最高能量到最低能量。高能“蓝色”波通常受到的缺失物质影响较小，因此在探测器上到达的时间通常早于低能“红色”波，后者在时间上被延迟或“模糊”。研究团队测量了每个FRB不同波长的模糊程度，这可以直接与FRB在到达CHIME探测器之前必须经过的物质量相关联。增井和王将这些测量与DESI数据提供的超过600万个星系的位置进行了关联。通过这种方式，他们可以寻找缺失物质与星系之间的关联，并测量两者之间的相对位置。
他们的分析揭示了一个模式：缺失的重子物质往往存在于星系和星系团周围。然而，与星系聚集在一起形成密集球体不同，缺失的物质则分散在更大的半径范围内，类似于扩散的云团。“一个星系的直径大约是几十万光年，而我们发现缺失物质的范围达到了约400万光年，”增井表示。“这比模拟预测的要远得多。”
“我们发现星系中的活动比我们想象的要复杂，”王说。“它们更像是喷泉，实际上将气体推向非常远的距离。”新结果表明，快速无线电爆发可以作为搜索缺失物质的可靠方法。随着CHIME继续检测更多FRB，团队表示他们的方法只会越来越精确。“我们第一次成功实现了这一点，随着数据的改进，将会做得更精确，”增井说。CHIME和CHIME/FRB得到了加拿大创新基金会、加拿大自然科学与工程研究委员会以及不列颠哥伦比亚省、魁北克省和安大略省的支持。这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。
博主点评： 本研究通过创新性地结合快速无线电爆发与星系位置的分析，成功揭示了宇宙中缺失物质的分布。这不仅挑战了我们对星系及其环境的理解，也为未来的宇宙物理研究提供了重要的方法论。随着更多数据的积累，期待进一步揭示宇宙的奥秘。