(圖:Danielle Futselaar, artsource.nl)

根據現代天文學模型的解釋,宇宙是由重子物質(baryonic matter)、暗物質和暗能量所組成的。但科學家長期以來僅找到一半的重子物質,有另一半不知所蹤。

而就在去年,由珍·皮埃爾·麥夸特(Jean-Pierre Macquart)所帶領的一組國際研究團隊,成功地藉由快速電波爆發(fast burst radio)找到這另一半「消失的物質」了。其研究已發表於《自然》(Nature)上。

重子物質

重子物質即是我們熟知、會與電磁力產生交互作用,能夠以光譜儀偵測到的粒子。麥夸特解釋,這些重子物質就是構成你我、行星、恆星與整個星系肉眼所見的基礎。根據先前的研究推論,重子物質大約佔宇宙質量的 5 %上下。

但在近十年來,科學家利用天文望遠鏡觀測宇宙的各個角落,僅發現了約一半的重子物質。另外一半的物質彷彿消失在宇宙中一般。

快速電波爆發

天文學家試圖使用其他方法來觀測這些「消失的物質」,但各項技術都有其限制。如類星體光譜儀(quasar spectroscopy)只對於極少量處在原子態的氫,或是星系中物質密度較稠密區域的高度離子化氣體有效;Sunyaev–Zel’dovich 分析法則是用於觀測絲狀結構氣體雲內的物質。

而在此研究中,麥夸特的團隊選擇使用快速電波爆發來尋找這些物質。天文學界目前仍不清楚快速電波爆發的確切產生機制,其是來自深度太空的瞬態電波脈衝,通常僅維持數毫秒的時間。這些來自深度太空的電波訊號會與路徑上的自由電子產生交互作用,藉由研究被干擾後的電波訊號。因靈敏度較高,團隊能觀測到先前其他光譜儀無法找到的重子物質。

未來發展

研究團隊此次是利用澳大利亞千公尺陣列(Australian SKA Pathfinder Telescope,簡稱 ASKAP)來搜集快速電波爆發的訊號。此方法協助團隊發現了,過去研究中認為是「空白」的區域中其實充滿了自由電子。在使用此技術檢驗宇宙中五個區域後,其計算出的重子物質質量與模型預測的分佈相當接近。

其也正在持續使用 ASKAP 來偵測快速電波爆發,更進一步描繪出宇宙的質量分佈。團隊預估能在一年內收集約 100 筆快速電波爆發的訊號,藉此我們將會更進一步了解宇宙早期發展的情形。麥夸特表示:「我們甚至有機會能夠研究到宇宙大爆炸後的再電離(Reionization)時期,其是宇宙中中性物質開始離子化的一個階段」。雖然這些重子物質僅占據宇宙中 5 %的質量,但這無疑是驗證近代天文學模型的一大進展。

參考資料:

  1. “Half the Visible Universe Was Missing. Scientists Just Found It.” Futurism, The Byte, 28 May 2020. Futurism
  2. Ryan, Jackson. “The Universe Had a ‘Missing Matter’ Problem. Now It’s Been Solved.” CNET, CNET, 28 May 2020. CNET
  3. Macquart, J.-P., et al. “A Census of Baryons in the Universe from Localized Fast Radio Bursts.” Nature, vol. 581, no. 7809, 2020, pp. 391–395., doi:10.1038/s41586-020-2300-2.
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