天文学家解决了丢失的重子问题
丢失重子的问题困扰了科学家20多年。但今年早些时候，一种新的天象和尖端望远镜帮助他们找到了它。
J·泽维尔·普罗查斯卡著，The Conversation，Jean-Pierre MacQuart，The Talk One|发表：2020年6月4日(星期四)。
20世纪90年代末，宇宙学家预测宇宙中应该有多少普通物质。他们估计，大约5%的物质应该是常规物质，其余的是暗物质和暗能量的混合物。但是，当宇宙学家计算出他们当时所能看到或测量到的所有东西时，他们都做不到。增加了很多。
宇宙学家测量到的所有普通物质的总和，加起来只是宇宙中理应存在的5%的一半左右。
这就是众所周知的“丢失重子问题”，20多年来，像我们这样的宇宙学家一直在努力寻找这个问题，但没有成功。
这需要发现一种新的天象和全新的望远镜技术，但今年早些时候，我们的团队终于找到了失踪的物质。
重子是对粒子类型的一种分类-某种程度上是一个总括的术语-包括质子和中子，这是宇宙中所有普通物质的基石。元素周期表上的所有东西，以及你认为是“物质”的几乎所有东西都是由重子组成的。
自20世纪70年代末以来，宇宙学家一直怀疑暗物质-一种至今仍未知的物质，必须存在才能解释太空中的引力模式-构成了宇宙的大部分物质，其余的是重子物质，但他们不知道确切的比例。1997年，来自加州大学圣地亚哥分校的三名科学家利用重氢原子核(加一个额外的中子的氢)与正常氢的比率来估计重子应该占宇宙质量能量预算的5%左右。
然而，当出版物上的墨水还在干燥时，另三位宇宙学家升起了一面鲜艳的红旗。他们报告说，通过对恒星、星系及其内部和周围气体的普查，对我们现在宇宙中重子的直接测量加起来只有预测的5%的一半。
这引发了丢失重子的问题。如果自然规律认为物质既不能创造也不能毁灭，有两种可能的解释：一种是物质不存在，数学错误，另一种是物质藏在外面的某个地方。
全球的天文学家开始了搜索，一年后理论宇宙学家提供了第一条线索。他们的计算机模拟预测，大多数失踪的物质隐藏在弥漫宇宙的低密度、百万度的高温等离子体中。这被称为“温热星际介质”，绰号为“突发奇想”。这个奇想，如果存在的话，将会解决丢失的重子问题，但是当时还没有办法证实它的存在。
2001年，另一项支持这一突发奇想的证据出现了。第二个研究小组通过观察宇宙微波背景中的微小温度波动--基本上是大爆炸遗留下来的辐射--证实了重子占宇宙5%的初步预测。在两次单独确认这个数字的情况下，数学必须是正确的，突发奇想似乎就是答案。现在宇宙学家只需要找到这种看不见的等离子体。
在过去的20年里，我们和其他许多宇宙学家和天文学家团队几乎把地球上所有最伟大的天文台都带到了狩猎中。有一些错误的警报和温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。如果心血来潮真的存在，那就是太模糊、太分散了，无法察觉。
J·泽维尔·普罗查斯卡(加州大学圣克鲁斯分校)，杰伊·奇蒂迪(玛丽亚·米切尔天文台)和亚历山德拉·曼宁斯(加州大学圣克鲁斯分校)。
2007年，一个完全意想不到的机会出现了。西弗吉尼亚大学的天文学家邓肯·洛里默报告了一种被称为快速射电爆发(FRB)的宇宙学现象的偶然发现。FRB是极其短暂、能量极高的射电发射脉冲。宇宙学家和天文学家仍然不知道是什么创造了它们，但它们似乎来自很远很远的星系。
当这些辐射爆发穿过宇宙，穿过气体和理论上的冲动时，它们会经历一种叫做色散的东西。
这些FRB最初神秘的原因持续了不到千分之一秒，所有的波长都是从一个紧密的团块开始的。如果有人足够幸运--或者足够不幸--在产生FRB的地点附近，所有的波长都会同时击中他们。
但当无线电波穿过物质时，它们会短暂减速。波长越长，无线电波就越“感觉”到问题。把它想象成风阻。较大的汽车比较小的汽车感觉到更大的风阻。
无线电波的“风阻”效应小得令人难以置信，但空间却很大。当FRB穿越数百万光年或数十亿光年到达地球时，色散已经大大减缓了较长波长的速度，以至于它们到达的时间比较短波长晚了近一秒。
其中蕴藏着FRB称重宇宙重子的潜力，这是我们当场认识到的一个机会。通过测量一个FRB内不同波长的扩散，我们可以准确地计算出无线电波在返回地球的途中通过了多少物质-多少重子。
在这一点上，我们非常接近，但还有最后一条我们需要的信息。为了精确测量重子密度，我们需要知道FRB在天空中从哪里来。如果我们知道源星系，我们就会知道无线电波传播了多远。有了这一点和他们经历的弥散量，也许我们可以计算出他们在前往地球的途中通过了多少物质？
不幸的是，2007年的望远镜不够好，不能准确定位FRB来自哪个星系--因此也就是多远。
我们知道什么信息可以让我们解决问题，现在我们只需要等待技术发展到足以给我们提供数据。
我们花了11年时间才能够放置-或本地化-我们的第一个FRB。2018年8月，我们名为Craft的合作项目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器(ASKAP)射电望远镜来寻找FRB。这架由澳大利亚国家科学机构CSIRO运营的新望远镜可以观测到大片天空，大约是满月大小的60倍，它可以同时探测FRB并精确定位它们来自天空的位置。
一个月后，ASKAP捕获了它的第一个FRB。一旦我们知道了无线电波来自天空的确切位置，我们就迅速使用夏威夷的凯克望远镜来确定FRB来自哪个星系，以及那个星系有多远。如果你想知道的话，我们探测到的第一颗星系团来自一个名为DES J214425.25-405400.81的星系，该星系距离地球约40光年。
这项技术和技巧奏效了。我们测量了FRB的色散，知道它来自哪里。但我们需要捕获更多的重子，以获得统计上有意义的重子计数。所以我们等待着，希望太空能给我们送来更多的FRB。
到2019年7月中旬，我们又检测到了五起事件-足以对失踪物质进行第一次搜索。使用这六个FRB的色散测量，我们可以粗略地计算出无线电波在到达地球之前通过了多少物质。
当我们看到数据正好落在5%的预估曲线上时，我们既感到惊讶，又感到放心。我们完全探测到了丢失的重子，解开了这个宇宙之谜，结束了长达20年的搜索。
然而，这一结果只是第一步。我们能够估计出重子的数量，但由于只有6个数据点，我们还不能建立丢失的重子的全面地图。我们有证据证明这个心血来潮可能存在，并确认了有多少，但我们不知道它是如何传播的。它被认为是连接星系的巨大丝状气体网络的一部分，该网络被称为“宇宙网”，但有了大约100次快速射电爆发，宇宙学家就可以开始构建这张网的精确地图了。
这篇文章被更新，以表明澳大利亚国家科学机构CSIRO运营着这台新望远镜。
加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学教授J·泽维尔·普罗查斯卡接受国家科学基金会的资助。
让-皮埃尔·麦夸特，科廷大学天体物理学副教授，接受澳大利亚研究理事会的资助。
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