宇宙缺失物质的隐藏之处

2013年末，Colin Hill 在普林斯顿大学寒假期间感到无聊，于是他决定翻阅一些旧的宇宙学论文。（研究生就是这么有趣。）他看到一篇论文激发了一个想法：既然望远镜现在如此灵敏，我们能否通过比较最新的星系图与传统的宇宙最古老光线记录来了解缺失的物质？

接下来的几天里，希尔进行了一次快速分析。看起来他可能有所发现。一月份，他回到校园，与他的论文导师 David Spergel 和其他人坐下来，更深入地研究了这种地图比较。完成所有工作并对每一步都进行了三次检查之后，他们做了一件前所未有的事情：可靠地解释了宇宙中所有正常物质的去向。

一个“正常”问题

这是一个惊人的大问题。这种正常物质，也就是构成你我以及天文学家在宇宙中能看到的一切物质的粒子类型，似乎一直在逃避探测。这种缺失物质的谜团正式始于20世纪90年代初，当时科学家们首次清点了所有恒星、热气体、冷尘埃以及他们所知道的一切。总数只占根据其他非常可靠的观测结果（利用最古老的宇宙光线和核物理方程）宇宙在其最初几分钟内应该产生的正常物质的一小部分。（暗物质是它自己的谜团，它涉及完全不同的东西。）

在接下来的二十年里，随着望远镜变得越来越灵敏，天文学家在寻找他们知道必然存在的那些看不见的正常物质方面取得了一些进展。但数字仍然不符。

“存在巨大的脱节，”阿贡国家实验室宇宙学家 Lindsey Bleem 说。“当我们进行核算时，我们知道应该有大约30%的[正常物质]缺失了。”

天文学家无法找到它这一事实令人不安。毕竟，望远镜可以看到各种形式的光，从无线电波一直到高能伽马射线。常规物质不应该能够隐藏起来。

不幸的是，那些望远镜有它们的局限性。有些只能分辨冷尘埃，有些只能分辨热气体；如果目标太弥散，散布在广阔的距离上，它就不会出现在某些探测器中。因此，要找到这些缺失的物质，你需要一种机会均等的方法，一种无论温度或密度如何都能看到所有物质的方法。幸运的是，宇宙提供了一种方法。

在最初

这一切都追溯到宇宙中最古老的光。它自大爆炸后38万年以来，一直在我们膨胀的宇宙中穿行。今天，它以微波光的形式充斥着现代天空。嵌入在宇宙微波背景（CMB）辐射中的是关于宇宙幼年时期的大量线索。

但是，描绘 CMB 的全天地图也包含光线在到达我们的望远镜途中所经过的一切细节。巨大物质团的引力可以拉扯光线的路径，而星系团之间漂浮的热气体可以向光线提供一点能量。移动的气体也可以将其自身的动量传递给以微波形式穿过的光粒子，从而真正地推挤 CMB。

拉希德·苏尼亚耶夫和雅科夫·泽尔多维奇在1970年代提出了这种作用的假说，但它直到2012年才被天文学家的探测器发现。因为它与运动同义，这种动量传递被称为动力学苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应，或kSZ效应——而这正是希尔团队用来揭示宇宙正常物质的方法。

推搡之间

它不容易找到，但研究人员现在仅仅通过关联两个独立的数据集，才能勉强探测到 kSZ 效应：他们选择的 CMB 地图和新近精确的星系结构地图。当两者结合时，天文学家可以看到移动气体给 CMB 光粒子带来冲击的确切位置。希尔的团队寻找这种冲击的强度，因为他们可以从中计算出有多少物质存在。然而，确定这种强度取决于两件事：星系内进行冲击的气体的速度和数量。

一旦宇宙学家获得了kSZ信号，他们就可以最终确定存在多少物质——只要他们也知道它的速度。通常这没问题，因为天文学家可以研究星系的光来了解它有多远以及移动速度有多快。但这种测量既耗时又昂贵，而希尔的团队希望观察更多——最终是4600万个星系。

因此，他们根据科学家对宇宙的标准理解——比如它的年龄、它含有多少暗物质以及重力有多强大——创建了一个计算机模型。通过这个模型，他们可以统计地估计整个天空中的星系速度。所有这些要素都各归其位。

“通过将测量结果与理论模型进行比较，”希尔说，“我们得到了与星系相关的气体量。”

他们的技术奏效了，他们去年发表在《物理评论快报》上。“根据我们进行的测量，目前宇宙中的所有[正常物质]都已被解释，”希尔说。kSZ信号虽然微弱，但揭示了长期以来缺失的物质一直存在，只是过于弥漫而难以辨认。现在研究人员终于可以看到它了。

互补的信念

但是清点正常物质只是开始。“我对结果既感到欣慰又兴奋，”现在哥伦比亚大学的希尔说。“但更令人兴奋的是思考我们未来几年将要做什么。”

未来十年将包括更先进的CMB望远镜和星系巡天。例如，大型综合巡天望远镜（LSST）将在几天内从智利的山脊上拍摄整个南天，并在10年内汇编200亿个星系的信息。

这些观测将带来宇宙正常物质的精确地图。“我们将把[这项技术]应用于这些更大的样本，并测量气体分布如何随宇宙演化而变化，”希尔的导师兼合著者斯珀格尔说。

这些信息可以开始揭示宇宙结构的细节。物质究竟是如何分布在一个给定星系中的？像爆炸恒星或贪婪黑洞这样的高能天体，会抛出多少物质脱离其星系的引力束缚？

“我们希望通过未来几年使用这些类型的测量，精确探测这种气体是如何被这些非常剧烈的过程移动的，”希尔说。“那是下一个前沿领域。”

Liz Kruesi，一位自由科学作家，在德克萨斯州奥斯汀沉思宇宙的奥秘。本文最初以“缺失物质已发现”为题刊登于印刷版。