宇宙中一半的物质都消失了。我们发现它们隐藏在星系之间。

J. Xavier Prochaska 是加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学教授。Jean-Pierre Macquart 是科廷大学天体物理学副教授。本文最初发表于The Conversation。

20 世纪 90 年代末，宇宙学家曾预测宇宙中应该有多少普通物质。他们估计，大约 5% 应该是普通物质，其余则是暗物质和暗能量的混合物。但当宇宙学家统计出他们当时能看到或测量到的所有物质时，他们得出的结论却相差甚远。

宇宙学家测量的所有普通物质的总和仅仅占宇宙预计含量 5% 的一半左右。

这就是所谓的“失踪重子问题”，20 多年来，像我们这样的宇宙学家一直在努力寻找这个物质，但却无功而返。

尽管发现了新的天文现象，并且采用了全新的望远镜技术，但今年早些时候，我们的团队终于找到了缺失的物质。

问题的根源

重子是粒子类型的分类——某种意义上是一个总称——包括质子和中子，它们是宇宙中所有普通物质的组成部分。元素周期表上的所有物质以及几乎所有你认为是“东西”的东西都是由重子构成的。

自 20 世纪 70 年代末以来，宇宙学家一直怀疑暗物质（一种目前尚不为人所知的物质类型，必须存在才能解释太空中的引力模式）构成了宇宙物质的大部分，其余部分是重子物质，但他们并不知道确切的比例。1997 年，加州大学圣地亚哥分校的三位科学家利用重氢核（多一个中子的氢）与普通氢的比例估计，重子应该占宇宙质量能量预算的 5% 左右。

然而，就在论文的墨迹未干时，另外三位宇宙学家提出了警告。他们报告称，通过对恒星、星系以及它们内部和周围的气体进行普查，直接测量出我们当前宇宙中的重子数量，结果仅为预测的 5% 的一半。

这引发了重子缺失问题。如果自然法则认为物质既不能被创造也不能被毁灭，那么就有两种可能的解释：要么物质不存在，数学计算错误，要么物质就藏在某个地方。

搜索失败

全球各地的天文学家都参与了搜寻，第一条线索在一年后由理论宇宙学家提供。他们的计算机模拟预测，大部分失踪物质隐藏在遍布宇宙的低密度、百万度高温等离子体中。这被称为“暖热星系际介质”，绰号为“WHIM”。如果 WHIM 存在，将解决失踪重子问题，但当时无法证实它的存在。

2001 年，又出现了支持 WHIM 理论的另一个证据。第二个团队通过观察宇宙微波背景（本质上是大爆炸留下的辐射）中微小的温度波动，证实了重子占宇宙 5% 的最初预测。通过两次单独确认这个数字，数学计算肯定是正确的，WHIM 理论似乎就是答案。现在宇宙学家只需找到这种看不见的等离子体。

在过去 20 年中，我们和许多其他宇宙学家和天文学家团队动用了地球上几乎所有最伟大的天文台来搜寻。有一些误报和热气体的试探性探测，但我们的一个团队最终将这些与星系周围的气体联系起来。如果 WHIM 存在，它太微弱和弥散而无法探测到。

快速射电暴中的一个意想不到的解决方案

2007 年，一个完全出乎意料的机会出现了。西弗吉尼亚大学的天文学家 Duncan Lorimer 报告称，他偶然发现了一种名为快速射电暴 (FRB) 的宇宙现象。FRB 是一种极短、高能的无线电脉冲。宇宙学家和天文学家仍然不知道是什么产生了它们，但它们似乎来自遥远的星系。

当这些辐射爆发穿越宇宙并穿过气体和理论上的 WHIM 时，它们会经历所谓的弥散。

这些 FRB 的最初神秘成因持续的时间不到千分之一秒，所有波长一开始都紧密聚集在一起。如果有人足够幸运（或不幸）靠近 FRB 产生的位置，所有波长都会同时击中他们。

但当无线电波穿过物质时，它们的速度会暂时减慢。波长越长，无线电波对物质的“感受”就越强烈。可以把它想象成风阻。大车比小车感受到的风阻更大。

“风阻”对无线电波的影响非常小，但太空却很大。当快速射电暴经过数百万或数十亿光年到达地球时，散射已经大大减缓了较长波长的速度，以至于它们比较短波长的到达时间晚了近一秒。

这其中蕴含着快速射电暴测量宇宙重子质量的潜力，我们当场就意识到了这一点。通过测量一个快速射电暴内不同波长的分布，我们可以精确计算出无线电波在到达地球的途中经过了多少物质（即多少重子）。

此时我们已经非常接近了，但还需要最后一条信息。为了精确测量重子密度，我们需要知道 FRB 来自天空的哪个位置。如果我们知道源星系，我们就会知道无线电波传播了多远。有了这些信息和它们经历的散射量，也许我们可以计算出它们在到达地球的途中经过了多少物质？

不幸的是，2007 年的望远镜还不够好，无法准确定位 FRB 来自哪个星系，因此也无法确定它距离我们有多远。

我们知道哪些信息可以帮助我们解决问题，现在我们只需要等待技术发展到足以为我们提供这些数据。

技术创新

我们花了 11 年时间才找到或定位了第一个 FRB。2018 年 8 月，我们的合作项目 CRAFT 开始使用位于西澳大利亚内陆的澳大利亚平方公里阵列探路者 (ASKAP) 射电望远镜寻找 FRB。这架新望远镜可以观测到天空的很大一部分，大约是满月的 60 倍大，它可以同时探测 FRB 并确定它们来自天空的哪个位置。

一个月后，ASKAP 捕获了它的第一个 FRB。一旦我们知道无线电波来自天空的确切部分，我们就会迅速使用夏威夷的凯克望远镜来确定 FRB 来自哪个星系以及该星系距离地球有多远。我们探测到的第一个 FRB 来自一个名为 DES J214425.25–405400.81 的星系，距离地球约 40 亿光年，如果你想知道的话。

这项技术和方法奏效了。我们测量了 FRB 的散射，知道它来自哪里。但我们需要捕捉更多这样的物体，才能获得具有统计意义的重子数量。所以我们等待着，希望太空能给我们发送更多的 FRB。

到 2019 年 7 月中旬，我们又探测到了 5 起事件，足以进行首次失踪物质搜寻。利用这 6 起 FRB 的色散测量，我们能够粗略计算出无线电波在到达地球之前穿过了多少物质。

当我们看到数据正好落在 5% 估计值所预测的曲线上时，我们既惊讶又放心。我们完整地探测到了缺失的重子，解决了这个宇宙学谜题，结束了长达二十年的搜寻。

然而，这一结果只是第一步。我们能够估计重子的数量，但仅凭六个数据点，我们还无法绘制出缺失重子的综合地图。我们有证据表明 WHIM 可能存在，并确认了它的数量，但我们不知道它的具体分布情况。人们认为它是连接星系的巨大丝状气体网络的一部分，被称为“宇宙网”，但有了大约 100 次快速射电暴，宇宙学家就可以开始绘制这张网络的精确地图。