快速射电暴正成为宇宙清点的新工具
几十年来，天文学家一直面对宇宙“账目”中一个顽固的不匹配问题。对早期宇宙的计算表明，构成恒星、行星、气体和人类的普通物质，应当占据远比当今望远镜在星系和恒星中直接统计到的可见宇宙更多的比例。7月21日，研究人员描述了一种追踪这部分缺失物质的新方法，所利用的是天文学中最短暂、也最具能量的信号之一：快速射电暴。
这项工作由麻省理工学院科学家牵头，作为 CHIME/FRB 合作的一部分完成，并发表在 Physical Review Letters 上。研究利用了无线电暴穿越星系际空间时信号被扭曲的方式。结果指向一种许多宇宙学家早已怀疑、却始终缺乏直接证据来确认的图景：宇宙中大部分“缺失”的普通物质，似乎分布在星系群周围的弥散云中，而且延伸得比预期更远。
缺失的并不是物质本身，而是一张可靠的地图
问题并不在于科学家认为物质凭空消失了。相反，对年轻宇宙及其后续宇宙结构的测量长期表明，大量普通物质应当存在于人们通常联想到宇宙的那些明亮结构之外。恒星和星系只包含了预期总量的一部分。其余部分被认为以稀薄形式分布在星系之间及其周围的气体中，因此很难被直接探测到。
这就是快速射电暴，或 FRB，变得有用的地方。它们是持续仅毫秒的超亮无线电闪光，源自遥远宇宙中的高能事件。当一束 FRB 穿越空间时，其信号会受到所经过物质的影响。根据所提供的报道，这种信号会在时间上变得“涂抹”开来。路径上经过的物质越多，到达地球时的涂抹就越严重。
这一基本效应使天文学家能够把 FRB 作为探针，去研究原本难以看见的物质。挑战在于，要区分扭曲有多少来自星系内部的物质，又有多少来自其他地方的弥散气体。
一种新方法将爆发数据与星系位置结合起来
麻省理工学院牵头的团队用统计方法处理了这一问题。根据所提供的源文本，研究人员测量了地球上探测到的数千个 FRB 信号的涂抹程度，并将这些测量结果与宇宙中星系的位置进行比较。这使他们能够估算每个爆发信号的扭曲有多少与星系相关的物质有关，又有多少来自周围空间中的其他物质。
这一步的重要性不仅在于它提示缺失的物质确实存在，还在于它帮助定位了这些物质通常聚集在哪里。研究人员报告称，普通物质集中在围绕星系群的非常弥散的云中，而且这些云延伸到比科学家此前预测更远的距离。
从实际角度看，这意味着星系对空间的影响范围可能比简单的恒星加盘面图景所暗示的要大得多。物质并不整齐地局限于光学图像中可见的明亮结构。相反，相当一部分物质似乎占据着延展的、微弱的晕和环境，这些区域更难被直接观测到。
这一结果为何不只是一个账目问题
宇宙缺失物质的研究并不只是记账练习。普通物质最终落到哪里，与星系如何形成、增长并自我调节密切相关。所提供文本总结的结果支持这样一种观点：物质可以被能量过程从星系中推送出去。这一点很重要，因为星系演化依赖于物质流入与流出的循环：气体落入，形成恒星，然后又可能被恒星活动和其他高能事件加热或驱逐。
如果大量普通物质位于远离星系、极为稀薄的云中，这将影响模型对星系如何保留未来恒星形成所需燃料，以及它们如何与周围环境交换物质的理解。这也关系到如何把今天宇宙中的观测，与从早期宇宙推断出的条件联系起来。
这项研究的方法本身，或许与结果同样重要。多年来，FRB 一直被视为很有前景的天体物理工具，但如今不断增加的探测数量，正把这种前景转化为更系统的能力。数千个事件的样本，使研究人员能够超越零散个案，把这些信号当作宇宙结构的宏观探针来使用。
这是一项显著的转变。天文学家不再只依赖最明亮或最特殊的事件，而是可以开始利用 FRB 群体来研究跨越巨大距离的物质分布。随着探测目录不断扩大，这些地图的精度也应当提高。
研究人员称他们发现了什么
所提供文本引用麻省理工学院研究生 Haochen Wang 的话说，总体来看，星系越多的地方，它们周围往往就有越多的缺失物质。这一表述很重要，因为它把隐藏的物质与宇宙更广泛的结构联系起来，而不是与孤立异常相关联。物质并不是随机散布的。它似乎追踪着星系和星系群所形成的环境。
因此，这项研究强化了这样一种图景：普通物质预算中的很大一部分，位于可见星系周围的大尺度、微弱结构中，而不是星系明亮主体内部。它也意味着，以前关于这些弥散云能延伸多远的假设，可能过于保守。
短暂信号带来的远程影响
快速射电暴仍是现代天文学中最引人入胜的现象之一，但这项工作表明，它们的价值并不局限于理解爆发本身。它们正成为一种测量宇宙的工具，其能力是传统成像无法实现的。通过把每一次爆发都视为空间穿越过程中的探针，研究人员能够了解那些过于微弱、过于分散而无法单独显现的物质。
这使得这项新结果不仅仅是一次狭义的宇宙学更新。它表明，天文学正进入一个新阶段：转瞬即逝的无线电闪光，能够帮助解决本领域最古老的大尺度观测空白之一。缺失的普通物质，也许并不是真的“缺失”了。它只是一直等待在星系周围弥散、延展的储库中，而快速射电暴正在帮助把它带入视野。
本文基于 Phys.org 的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org