摘要：本论文围绕宇宙中失踪的普通物质（重子物质）这一关键问题展开，详细阐述快速射电暴（FRB）作为新型宇宙探针，如何助力天文学家揭开失踪重子物质之谜。研究表明，借助FRB对宇宙网中普通物质分布的测量，发现约76%的重子物质存在于星系际介质中，解决了长期以来的科学困惑

论快速射线暴与50%暗物质

纪红军

摘要

本论文围绕宇宙中失踪的普通物质（重子物质）这一关键问题展开，详细阐述快速射电暴（FRB）作为新型宇宙探针，如何助力天文学家揭开失踪重子物质之谜。研究表明，借助FRB对宇宙网中普通物质分布的测量，发现约76%的重子物质存在于星系际介质中，解决了长期以来的科学困惑，同时展现了FRB在宇宙学研究领域的巨大潜力，为后续探索宇宙结构、星系形成及新物理现象奠定了基础 。

快速射电暴；重子物质；宇宙网；暗物质；宇宙探针

一、引言

在浩瀚的宇宙中，物质的组成与分布一直是天文学和宇宙学研究的核心课题。目前已知，宇宙中的绝大多数物质呈现“暗”的特性，它们不与光发生相互作用，无法通过传统的光学观测手段直接探测，仅能凭借引力效应被间接感知，这类物质被称为暗物质，约占宇宙总质量的85%。而普通物质，也即重子物质，主要由质子等构成，仅占宇宙总质量的约15%。与暗物质不同，重子物质能够发出不同波长的光，因此可借助望远镜等设备进行观测。然而，当天文学家将所有可观测和可测量的重子物质汇总时，却惊讶地发现有大约一半的重子物质“下落不明”，这一失踪物质之谜长期困扰着科学界，亟待解决。

近年来，一种极端神秘的天文现象——快速射电暴（FRB）的出现，为破解这一谜题带来了曙光。FRB是来自遥远星系的明亮而短暂的射电脉冲，其独特的性质使其有望成为研究宇宙中物质分布的有力工具。本文将深入探讨快速射电暴如何帮助天文学家定位失踪的重子物质，以及这一发现对于宇宙学研究的重要意义和未来展望。

二、失踪物质之谜

暗物质虽然占据宇宙物质的绝大部分，但由于其不可见性，研究难度极大。相比之下，重子物质尽管占比相对较小，且能够通过光学手段观测，但在对宇宙中重子物质进行统计时，却出现了巨大的缺口。天文学家运用各种先进的观测技术和理论模型，对星系、恒星、星际气体等各类重子物质进行探测和估算，然而，将所有已知的重子物质加总后，发现其总量远远不足预期，大约有一半的重子物质在宇宙中“销声匿迹”。

关于这些失踪重子物质的去向，科学家们提出了诸多假设和推测。早期研究中，通过X射线发射和对遥远类星体进行紫外线观测，科学家推测这些失踪的物质可能以稀薄、温热的气体形式存在于星系之间。然而，由于这些气体极其稀薄，密度极低，且温度相对较低，大多数望远镜几乎无法直接观测到它们，只能通过一些间接的方法对其大致数量和分布进行估算，但难以进一步确认其真实存在和具体特征，使得失踪物质之谜长期悬而未决。

三、照亮迷雾的探针——快速射电暴

快速射电暴的发现为研究失踪重子物质提供了新的契机。FRB是一种来自遥远星系的极其明亮且短暂的射电脉冲，其持续时间通常仅有几毫秒，但释放出的能量却极为惊人。近年来，随着射电天文观测技术的不断进步，天文学家探测到的FRB事件数量持续增加，目前已超过1000个。尽管如此，由于FRB爆发的随机性和短暂性，只有约100个FRB事件能够被精确定位到具体的宿主星系。

科学家逐渐发现，FRB可以作为测量宇宙中重子物质总量的有效工具。当FRB产生的射电信号穿越浩瀚的宇宙向地球传播时，会与沿途的物质发生相互作用。其中一个重要的特性是，红色的长波长光比蓝色的短波长光在穿越物质时传播得更慢，这种现象被称为色散。通过精确测量不同波长射电信号到达地球的时间延迟，天文学家便可推断出射电信号在传播过程中穿越了多少物质，从而实现对原本不可见气体的“称重” 。

新的研究正是基于已定位的69个FRB事件展开。这些FRB事件涵盖了不同的距离范围，最近的是距离地球1174万光年的M81星系中的FRB 20200120E，最远的是距离地球91亿光年的FRB 20230521B（迄今记录中最遥远的FRB）。通过对这些FRB事件的深入分析，天文学家得以追踪气体在星系间的传播路径，并绘制出宇宙网的结构图谱，为研究失踪重子物质的分布提供了关键数据。

四、“称重”隐形的气体

在对69个FRB事件的研究中，研究团队利用FRB信号的色散特性，对星系间的稀薄气体进行了“称重”。当FRB射电信号在宇宙中传播时，沿途的物质会对其产生影响，使得不同波长的射电信号到达地球的时间出现差异。通过高精度的观测设备和复杂的数据分析方法，天文学家能够准确测量这种时间延迟，进而计算出射电信号穿越的物质质量。

正如该研究第一作者Liam Connor所言：“FRB就像宇宙中的手电筒，它们照亮了星系际介质的迷雾。即使这些气体过于微弱，我们也能通过信号的减速情况，准确‘称出’它们的质量。”借助FRB这一强大的工具，研究人员发现，约76%的重子物质位于星系际介质中，这些稀薄的气体弥漫在星系之间的广袤空间；约15%的重子物质存在于星系晕中，围绕着星系形成巨大的光环；剩下的部分则集中在星系内，存在于恒星中或冷星系气体中。

这一物质分布结果与高精度宇宙学模拟的预测高度一致，此前的模拟虽然对重子物质的分布做出了理论推测，但一直缺乏直接的观测证实。而FRB的研究成果首次通过实际观测验证了这些理论模型，为宇宙学研究提供了坚实的观测基础，也标志着失踪重子物质之谜得到了实质性的解决。

五、“宇宙普查”的意义与未来

快速射电暴在揭示失踪重子物质分布方面的成功，具有多方面的重要意义。首先，它解决了长期以来困扰天文学界的“失踪的重子”谜题，使我们对宇宙中普通物质的组成和分布有了更准确、更全面的认识。这一发现为理解宇宙结构的形成和演化提供了关键线索，因为重子物质的分布对星系的形成、发展以及宇宙大尺度结构的构建起着至关重要的作用。

其次，FRB作为宇宙探针展现出了巨大的潜力。除了用于研究重子物质分布外，它还可能帮助科学家确定中微子的质量。中微子是一种极轻的亚原子粒子，其质量大小对于理解粒子物理标准模型以及探索超越该模型的新物理现象具有重要意义。通过分析FRB信号在传播过程中与中微子等粒子的相互作用，有望为中微子质量的测量提供新的途径。

展望未来，随着下一代射电望远镜的启用，FRB的探测和研究将迎来新的飞跃。预计未来每年将可探测并定位多达上万个FRB，这将极大提升我们对普通物质的追踪能力。更多的FRB事件将提供更丰富、更详细的数据，使我们能够以前所未有的细节绘制出宇宙网的真实面貌，深入研究宇宙中物质的演化过程、星系的形成机制以及宇宙大尺度结构的动力学特性等重要课题。

六、结论

快速射电暴的出现为宇宙学研究带来了革命性的突破，成功帮助天文学家找到了宇宙中失踪的重子物质，揭示了约76%的重子物质存在于星系际介质中的重要事实。这一发现不仅解决了长期悬而未决的科学难题，也为我们理解宇宙的结构和演化提供了关键依据。同时，FRB作为一种极具潜力的宇宙探针，在未来的宇宙学研究中有望发挥更大的作用，推动我们对宇宙奥秘的探索不断向前迈进。随着观测技术的不断进步和研究的深入开展，我们有理由相信，快速射电暴将带领我们揭开更多宇宙未知的神秘面纱，为人类对宇宙的认知开辟新的广阔天地。

来源：简单花猫IN