失蹤的普通物質，終于被直接看到了？

重子物質（baryonic matter），也就是我們日常生活中能接觸到的普通物質，只占宇宙質量的4.9%。但就算這4.9%，也沒有全部被發現。不過，事情最近有了一些轉機。法國天文學家終于直接觀測到星系際溫熱介質，這正是失蹤的重子物質的可能成分。

宇宙的質量由重子物質、暗物質和暗能量這3大類構成，三者分別大約占據宇宙質量的4.9%、26.8%和68.3%。其中，暗物質是不參與電磁相互作用的物質，而暗能量是主導宇宙膨脹的能量。相較于這些特性神奇、至今仍未被我們找到的神秘組成部分，充斥在我們生活中的重子物質，即普通物質，則顯得平平無奇。

但是，就算是這平平無奇的普通物質，也有30%的質量“丟失不見”了。

丟失的質量

目前，天文學家已經通過兩種策略估算出重子物質的質量占比。

第一種策略利用了宇宙微波背景輻射。根據含宇宙學常數的冷暗物質模型（Λ Cold Dark Matter model）對觀測到的宇宙微波背景輻射進行推測，可以得知重子物質占宇宙質量的4.9%。

另一種則是對大爆炸核合成時核反應的計算，預測重子物質質量占比。在此之前，由于大爆炸核合成階段的參數問題，兩種手段得出的重子物質占比有些許差異。而近日發表于《自然》雜志的一篇論文，根據在意大利的地下核天體物理實驗室獲得的大爆炸核合成時期的參數，修正了此前的計算。由此，兩種方法得到的結果實現了統一——兩種理論都告訴我們，重子物質質量占宇宙質量的4.9%。

但是，這4.9%中的30%卻無法通過觀測發現。這就是所謂的重子缺失問題（missing baryon problem）。

根據各類天體光度和質量的比例（即光質比），我們就能根據宇宙中不同來源的光來估計其對應的質量。根據射電、光學、X射線等多波段觀測，科學家已經明確了光致電離氣體（photoionized gas）、星系際溫熱介質（WHIM，warm-hot intergalactic medium）、星系（galaxies）、星系周介質（CGM，circumgalactic medium）、星系團內介質（ICM，Intracluster medium）、冷氣體（cold gas）這些重子物質各自大致的質量比。

然而2017年之前，上述所有物質加起來也只占到理論預測的70%。剩余的30%就是丟失的重子物質。考慮到觀測條件的限制，科學家認為丟失的質量最可能存在星系際溫熱介質里。也就是說，對于星系際溫熱介質的質量估計可能太過于保守。

宇宙中有一張由纖維狀結構構成的復雜網絡。其中，星系就坐落在這張網絡的節點上，而連接這些節點的，就是彌散在宇宙中的星系際溫熱介質。這種絲線狀的物質是溫度105K—107K的等離子體，其分布非常稀疏，溫度難以被X射線望遠鏡探測到，因此當時沒人能直接觀測到這種氣體。

倫敦大學學院的理查德·埃利斯（Richard Ellis）曾說過：“我們已經發明的儀器中沒有能直接觀察到這種氣體的，迄今為止，這種氣體的存在仍然是一種猜想?！?/p>

浮出水面

2017年，兩組科學家分別表示，他們找到了分布在宇宙纖維網絡結構中的星系際溫熱介質。

由于難以直接觀測，科學家轉而使用SZ效應（Sunyaev-Zel'dovich effect）間接尋找星系際溫熱介質。SZ效應是指，宇宙微波背景輻射的光子在和宇宙中的高能電子碰撞，即逆康普頓散射（Inverse Compton scattering），使光子獲得能量，從而改變光子能量分布。當宇宙微波背景輻射穿過星系際溫熱介質時，同樣也會發生這樣的效應。

兩個團隊在斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）的觀測結果中選擇了超過100萬對星系。他們將星系對之間區域中，由普朗克衛星測得的宇宙微波背景輻射信號堆疊起來，使微弱的信號起伏可以被識別。隨后，他們利用SZ效應對這一信號進行計算，發現這些區域的物質密度比其他地方高，其質量足以形成纖維結構，從而間接發現了星系際溫熱介質。

而近日，參與了上述研究的兩組團隊之一——巴黎薩克雷大學空間天體物理研究中心的研究團隊，終于在X射線波段直接找到了星系際溫熱介質。

他們選擇了15165條已經在斯隆數字巡天中得到確認的大型宇宙纖維結構，再將倫琴衛星（ROSAT，30年前發射）得到的X射線信號堆疊起來，最終發現纖維位置和X射線的空間分布存在相關性。也就是說，他們檢測到了來自宇宙網中熱氣體的X射線，并測得其溫度約為3×106K。

首次直接觀測到星系際溫熱介質的結果，使得天文學家有望在將來開展更精細的探測。2019年發射的倫琴衛星的繼任者——eROSITA——也會提供精度更高的觀測數據。伴隨著進一步的探測，人們將能夠對星系際溫熱介質進行更加直接、精細的觀測。屆時，星系際溫熱介質的含量或將被改寫，而那些失蹤的重子物質也可能最終露出真容。