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宇宙網(wǎng)狀結構中發(fā)現(xiàn)失蹤重子

嘉峪檢測網(wǎng)        2018-07-05 11:37

 

我們生活在一個“黑暗的”宇宙:約有高達95%的宇宙成分是我們未曾發(fā)現(xiàn)的暗物質和暗能量;只有剩下的5%是我們熟悉的普通物質,包括中子,質子等基本粒子,以及由他們組成的所謂“重子物質”。然而,即使是這5%的普通物質,根據(jù)對鄰近宇宙發(fā)光物質的觀測,我們發(fā)現(xiàn)有高達一半的物質未能找到,由此產(chǎn)生著名的“失蹤重子問題”。

近一步的理論及計算機大規(guī)模宇宙學數(shù)值模擬表明,宇宙的大尺度結構物質分布類似于一張巨大的蜘蛛網(wǎng),在節(jié)點處存在由從成千上萬個星系所構成的星系團,而失蹤的重子物質則存在于連接這些節(jié)點的纖維狀結構上。

宇宙網(wǎng)狀結構中發(fā)現(xiàn)失蹤重子

圖一 宇宙的蜘蛛網(wǎng)狀結構。宇宙的大尺度結構物質分布類似于一張巨大的蜘蛛網(wǎng),在節(jié)點處存在由從成千上萬個星系所構成的星系團,而失蹤的重子物質則存在于連接這些節(jié)點的纖維狀結構上。

為什么這些失蹤的重子物質很難探測到?

在評述中,方陶陶教授認為,主要有兩方面原因,一是由于纖維狀結構中的重子物質密度極低,是銀河系內星際介質密度的百萬到千萬分之一;二是高溫使占宇宙中最豐富的元素 - 氫 - 被完全電離,從而很難用光譜的方法探測到。在這種情況下,一個較為有效的方法就是利用存在于纖維狀結構中豐度相對較低的重元素,比如氧。在相同的高溫下其離子還存在一兩個電子,可以在紫外和X射線波段產(chǎn)生光譜特征,盡管強度極弱。在這方面,方陶陶教授和國際上一些其他團隊在二十一世紀初做出了一系列卓有成效的工作。他們主要利用一些大型的空間望遠鏡比如美國宇航局的哈勃望遠鏡和錢德拉X射線望遠鏡,以及歐洲空間局的XMM-牛頓望遠鏡,進行了大量的空間紫外和X射線的觀測。這些觀測一般利用遙遠的、極亮的星系做為背景源來研究位于前景的纖維狀結構里失蹤重所產(chǎn)生的吸收線。他們的早期工作證明的這個方法的有效性,并揭示了失蹤重子存在的初始證據(jù)。

利用XMM-牛頓X射線望遠鏡觀測名為1ES 1553+113的極亮蝎虎天體(BL Lacertae),累計觀測時長175萬秒(約20天)。這類天體由于位于其中心的超大質量黑洞及其活躍,在一段時間內會變得及其明亮,從而可以作為尋找前景吸收極好的背景源。

宇宙網(wǎng)狀結構中發(fā)現(xiàn)失蹤重子

圖二 來自意大利國立天文研究所和美國哈佛-史密斯天體物理中心的Nicastro等人的最新發(fā)現(xiàn)。他們利用XMM-牛頓X射線望遠鏡觀測名為1ES 1553+113的極亮蝎虎天體,并在累加的光譜中找到紅移分別為0.43(距離我們約78億光年)和0.36(距離約63億光年)氧離子的吸收線系統(tǒng),從而認為找到了部分失蹤重子的去向。

該工作的研究人員在累加的光譜中找到紅移分別為0.43(距離我們約78億光年)和0.36(距離約63億光年)氧離子的吸收線系統(tǒng),從而認為找到了部分失蹤重子的去向。方陶陶教授指出,Nicastro等人工作的重要性在于其探測的統(tǒng)計顯著性較以前有明顯提高;而且在紅移0.43處的吸收系統(tǒng),氧離子處在不同能級處的兩條吸收線同時探測到還是第一次。在光譜上同時找到一個離子的兩條吸收線通常會提高對于該吸收線系統(tǒng)認證的置信度。

由于蝎虎天體1ES 1553+113的我們的距離并不十分明確,不能排除紅移0.43處的吸收系統(tǒng)起源于該蝎虎天體自身的可能性。同時,這些吸收線系統(tǒng)也有可能起源于位于視線方向的個別星系,而不是位于星系外的纖維狀結構。這些都有待于今后的觀測進一步證實。

從觀測的角度給出了失蹤重子可能的位置,但是其累計時長達175萬秒觀測時間從側面反映了尋找失蹤重子的工作已經(jīng)達到了人類現(xiàn)有望遠鏡的檢測極限。在未來,正在籌備中的一些空間望遠鏡也許會測繪出完整的宇宙重子分布,從而全面解決失蹤重子問題。

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來源:廈門大學新聞辦

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