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尽管物质是可见的，但并不意味着它很容易被看到。对宇宙的研究表明，构成宇宙的大部分物质都是暗物质，之所以被称为暗物质，是因为它不发射或反射光。但即使是普通物质，即构成我们所见一切的物质，也可能很难找到。

"如果你用光学望远镜观察，你只能看到总物质的一小部分?！?/span>美国能源部SLAC国家加速器实验室的物理学家伊曼纽尔·沙恩这样说。

有些物质，例如星系或星系团最边缘的尘埃和气体，本身不发出任何光，很少有光照到它。相比之下，其他物质离光源太近，无法被看到。来自靠近星系和星系团中心的物质发出的光，被隐藏在其他物体如恒星更明亮的光后面。

结果就是，只有一小部分被认为是可见的物质实际上是可见的。"普通物质只占宇宙总能量的5%。"沙恩表示，"如果观察星系内的恒星，你只能看到普通物质的5%到10%。"

探测隐藏的普通物质，也称为重子物质，在未来几年将变得越来越重要，沙恩表示，"如果我们不知道重子在哪里，那么我们就不能正确分析来自"鲁宾天文台的时空遗珍巡天望远镜（LSST）这些实验的精确数据。" 实验数据 "包含了很多珍贵的信息，将帮助我们了解暗能量、暗物质、膨胀和中微子，但是如果不能正确建立模型，我们将不得不丢弃这些数据"。

幸运的是，天体物理学家已经习惯于寻找他们看不到的东西。正如他们使用各种方法来了解宇宙中暗物质的分布一样，他们也确定了了解普通物质分布的方法。

缺失的物质和宇宙背光

宇宙学家有几种方法来计算宇宙中有多少普通物质。一种方法是看今天存在的氢、氘、氦和其他轻元素和同位素的相对数量。根据大爆炸核合成理论，这些比率取决于宇宙中重子的数量，因此物理学家可以用它们来推断有多少普通物质。

一个独立的估计来自宇宙微波背景（CMB），即宇宙中最古老的光。这种光是宇宙从由电子、质子和中子组成的极热等离子体汤冷却到由氢和氦组成的更普通的混合物时留下的。CMB中的微小变化揭示了这些物质是如何在早期宇宙中移动和聚集的。从这些观察中，研究人员可以推断出物质和暗物质的混合。

无论哪种方式，物理学家得出的结论是，宇宙中大约16%的物质是普通物质，而其余的是暗物质。

然而，当物理学家对他们能在星系中的尘埃、气体和恒星中发现的所有普通物质进行编目时，他们只能占其他测量结果的一半多一点，沙恩表示。

科学家们将此描述为缺失的重子问题。

在过去的十年中，研究人员发现，大部分缺失的物质开始于星系中心，并被超新星和活跃星系核等暴力现象炸到了星系的极端边缘，导致一些人宣布缺失重子问题已经解决。

尽管如此，像沙恩这样的研究人员仍然想知道更多关于这些物质在星系中和周围的确切分布情况。部分原因是为了更好地了解星系天体物理学，但也是因为了解物质在哪里以及它是如何到达那里的将为分析来自LSST等实验的数据提供信息，以及其他试图绘制暗物质和暗能量的实验。

那么，为了绘制出普通物质的其余部分，沙恩和同事及其他团队，已经开始寻找阴影。他们利用CMB作为背光，寻找一种星系印记，即星系边缘的尘埃和气体的热量和运动提高了CMB光的能量。这些效应被统称为苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应（Sunyaev-Zeldovich，SZ）*，可以揭示尘埃和气体的位置以及它们的速度和能量，从而提供关于它如何到达那里的重要新细节。

*苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应（Sunyaev-Zel'dovich effect，缩写为SZ效应）是由苏联物理学家拉希德·苏尼亚耶夫和雅可夫·泽尔多维奇于1970年代初期提出的，是宇宙微波背景辐射的光子与星系团等天体中的高能电子发生逆康普顿散射而导致观测到的温度分布产生变化的现象。

沙恩表示，某些类型的SZ效应已经得到了相当好的测量，特别是揭示尘埃和气体移动速度的品种，但其他效应仍然难以捉摸。希望随着阿塔卡马宇宙学望远镜（Atacama Cosmology Telescope，ACT）等实验收集更多的CMB数据，研究人员将最终能够获得星系周围物质的良好图像。"我认为这将在未来几年内开花结果。"沙恩说道。

宇宙X射线

虽然宇宙背光方法应该能很好地绘制星系边缘的物质分布图，但它确实有一个显著的缺点：天体物理学家仍然想绘制更靠近星系和星系团中心的物质分布，但在这些地方，来自恒星和其他来源的光会冲淡CMB。

SLAC物理学家史蒂文·艾伦表示，另一种选择是寻找重子物质发射的X射线。尽管银河系的过程可能会吹走其中的一些物质，但仍有相当多的物质残留，并且变得非常热。艾伦的解释为"在大型星系团中，气体温度可以达到数千万度，在这一点上，气体会发射大量X射线。"

绘制这些热区中物质的分布图为科学家们提供了一种测试他们对星系和星系团如何形成和演化的假设的方法。

艾伦表示，在大多数情况下，通过X射线探测到的物质的温度和分布与物质在重力作用下坍塌和加热的想法一致。但艾伦的团队和其他X射线天文学家发现，发生的加热比物理学家单独从引力坍缩中预期的要多，而活动星系核似乎提供了这种加热。

艾伦的团队还利用X射线光谱研究了X射线数据的另一种用途。这种方法揭示了一种化学成分，再次表明这种物质在宇宙历史上被炸得比科学家想象的更强烈、更早。艾伦说道：“（活动星系核）一定在气体中注入了大量的能量，而且它一定发生得比较早?！?br />

如果研究人员不完全了解星系的形成和演化，那么宇宙学家对星系的假设可能是不正确的，并可能使物质在宇宙演化过程中如何转移的模型出现偏差。这反过来可能会对宇宙学家如何理解暗物质和暗能量的性质产生影响，这可能会反馈到天体物理学家对星系形成和演化的研究中。艾伦表示：“你不能只做一个，不做另一个?！?br />

但像艾伦这样的调查会有所帮助。通过观察不同距离的星系和星系团的X射线，研究人员可以绘制出这些物体是如何随时间演变的。由于距离是我们看到的光发射的时间的代表，这可以帮助天体物理学家建立更好的星系模型，进而帮助宇宙学家改进他们的宇宙模型。

理解数据

芝加哥大学的天体物理学家和宇宙学家、曾在SLAC和斯坦福大学学习的张志伟表示，随着研究人员对宇宙中的事物收集越来越多的详细数据，理论模型必须跟上。这是因为这些新的信息只有在科学家有能力将其转化的情况下才有价值。

张志伟指出，暗能量研究是一个旨在绘制宇宙随时间膨胀的速度的项目，作为一个例子?！彼孀盼颐强挤治隼醋訢ES的越来越多的数据，我们得到了具有超高信噪比的漂亮数据，但你不能使用所有的数据，因为我们对最小尺度的理论理解非常不确定?！?br />

张志伟表示，出于这个原因，科学家们正在努力建立被认为是小规模（即与宇宙大小相比）的天体物理过程的更好模型，例如活动星系核向星系边缘喷出物质的过程。

这样做可以帮助研究人员更好地理解宇宙学中当前的一些紧张关系，例如，基于CMB的测量表明，物质比基于弱引力透镜研究的测量或物质引力弯曲光线的方式的测量更容易聚集?；蛘咚梢越沂狙芯咳嗽鄙形聪氲降娜挛锢硌?。

SLAC的宇宙学家阿格尼丝·费特表示，尽管面临挑战，但这对该领域来说是一个激动人心的时刻。“几年前，有关宇宙学的最精确信息来自宇宙微波背景?！?br />

随着研究人员增加了星系团和不同种类引力透镜的数据，他们对宇宙的结构和历史了解得越来越多。

费特表示，为更小规模的天体物理现象添加更好的模型应该有助于继续取得进展，特别是随着鲁宾天文台和欧洲航天局的欧几里德卫星的更详细的调查投入使用。她认为，也许，研究人员甚至能够对引力理论本身进行更精确的测试，或者最终发现暗物质和暗能量的性质。

"我非常兴奋，"费特说道，"我认为我们肯定会有新的发现。"

来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭