來自太空深處的神祕訊號用來解決宇宙難題(圖:ICRAR)

自從科學家們首次計算了宇宙中有多少物質之後,他們就一直無法找到半數的物質。而現在,一個澳洲的科學團隊首次藉由快速電波爆發(fast radio burstsFRB)而找出了它們。

失蹤的物質

宇宙是由重子物質(baryonic matter)、暗物質(dark matter)及暗能量(dark energy)所組成。根據早期的計算,宇宙中約有百分之五的物質是由重子物質所組成。這些重子物質構成了你我、星球、恆星及星系。但是數十年以來,科學家雖然努力地尋找,卻有半數以上的物質找不到。

在過去的幾年間,許多科學家宣稱找到了失蹤的重子物質。他們所使用的技術包括掃描圍繞黑洞周圍的氣雲,或是連接星系的宇宙物質線段。

但是,根據本研究的主要作者,澳洲國際無線電天文研究中心(International Centre for Radio Astronomy Research)的尚·皮埃·馬加爾特副教授(Jean-Pierre Macquart)所述,這些方法所依賴的都是不完整的資料。該些研究人員沒有辦法充分地偵測到整個宇宙的所有重子物質,主要是因為他們只專注於特定的區域上。馬加爾特副教授將這些論文比喻為如同「以管窺天,以蠡測海」。

終於被找到

近年來,科學家們追蹤到穿越地球的 FRB 的能力與日俱增。FRB 是一種神秘且有趣的宇宙現象。它們在 2007 年首次被偵測到,但是科學家仍然對於它們的源頭不甚了解。藉由新式的望遠鏡以及無線電波陣列,例如位於澳洲的澳大利亞千公尺陣列(Australian Square Kilometre Array Pathfinder,ASKAP),天文學家得以查明來自太空深處的這些無線電波爆發的來源。而現在,馬加爾特副教授及其團隊發現 FRB 也能用來偵測宇宙中消失的物質。

未附屬於此研究的雪梨大學天文物理學家格萊特·F·劉易斯教授(Geraint Lewis)說到:「隨著無線電波穿越宇宙,它們會與自由電子互動,進而影響到了無線電波」。而正是這個影響成為找到失蹤物質的關鍵。

根據劉易斯教授所述,天文學家們從 FRB 的源頭計算無線電波沿路上的電子數,量測出宇宙中的隱藏物質。在研究來自五個不同處的 5 道不同 FRB 後,研究團隊發現他們的量測結果,與宇宙中應該要存在多少重子物質的預測結果幾乎完美地吻合。

研究共同作者,聖塔克魯茲加利福尼亞大學(University of California, Santa Cruz)的天文學家哈維爾·伯嘉斯卡教授(Xavier Prochaska)表示:「我們至終都預期能偵測到這些物質,但在我們偵測到之前,真的是很尷尬的過程。」

構建宇宙網

隨著失蹤物質的謎題被解決,研究團隊認為他們可以使用 FRB作為探測宇宙的新工具。FRB 讓研究人員得以偵測固定在星系間充滿氣體的寬廣空間中的重子物質。這意指天文學家或許可以繪製出所謂的宇宙網,也就是將宇宙連結在一起的部分。

伯嘉斯卡教授表示:「這個技術能夠讓我們找出氣體在哪裡。直至今日,我們主要可藉由宇宙網的電腦模擬來秀出影像,但是若再給我們 5 年,以及至少再 100 多道 FRB,我們應該能夠秀出真實度更高的實際宇宙地圖。」

團隊會持續使用 ASKAP 來搜尋 FRB,而馬加爾特副教授提到他們正在打造一台能夠找到更多 FRB 的「巨大機器」,增加偵測率達 20 倍。如此的大躍進能夠讓團隊在一年內找到 100 多道訊號,以回到宇宙最初期的日子,來重塑人類看待宇宙的方式。馬加爾特副教授表示:「我們可能甚至能夠談談再電離時代(Epoch of Reionization),即宇宙從中性物質轉變成離子化物質的時間。」

當然,失蹤的重子物質只佔了宇宙中所有物質的非常小部分,還有很大的宇宙學問題仍待解答。劉易斯教授提到:「雖然我們知道了宇宙中所有重子物質散布何處,但我們仍然只找到了不到 5% 的宇宙物質。暗物質及暗能量是下一個需要破解的難題。」

參考資料:

  1. Robitzski, D., (2020, May 28). Half the Visible Universe Was Missing. Scientists Just Found It. Futurism
  2. Ryan, J., (2020, May 27). The universe’s ‘missing matter’ problem has finally been solved. CNET
  3. Macquart, J.-P. et al., (2020, May 27). A census of baryons in the Universe from localized fast radio bursts. Nature. doi.org/10.1038/s41586-020-2300-2
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