神秘快速射电暴助天文学家锁定宇宙“失踪”物质

据美国有线电视新闻网报道，天文学家利用神秘的快速射电暴（FRB），即来自深空的毫秒级无线电波闪光，成功追踪宇宙中部分“失踪”的物质。

暗物质和暗能量占据宇宙的大部分。据NASA介绍，暗物质是一种塑造宇宙结构的神秘物质，而暗能量则推动宇宙加速膨胀。两者均无法直接观测，但其引力效应可被探测。然而，宇宙的其余部分由普通物质（重子）构成，存在于质子、中子等微小粒子中。

哈佛大学天文学助理教授利亚姆·康纳表示：“通过望远镜观测的所有恒星、行星和冷气体加起来，仅占宇宙普通物质的不到10%。”

天文学家推测，大部分普通物质漂浮在星系间的星系际介质中，或存在于星系周围的巨大光晕（包含恒星和热气体的球形区域）中。但这些雾状物质难以测量，因其发出的光过于弥散，宛如在雾中探物。这导致了“重子缺失问题”，困扰宇宙学界数十年。

康纳及其团队通过快速射电暴的闪光直接观测到这些“失踪”物质，绘制出此前不可见的宇宙图景。他们在《自然天文学》杂志周一发表的研究中公布了这一发现。

康纳解释：“FRB穿越星系际介质的‘迷雾’，通过精确测量光速减慢的程度，我们能称量这些暗淡到无法看见的物质。”这项研究主要在他担任加州理工学院研究助理期间完成。

未来，快速射电暴有望成为照亮宇宙隐形结构的利器。

“闪光”指引方向。自2007年首次发现以来，已探测到超1000次快速射电暴，其中约100次可追溯至特定星系。天文学家尚未完全解开其成因，但发现更多FRB或能揭示其神秘起源。

这项研究分析了69次快速射电暴，距离地球从1174万光年至近91亿光年不等。其中最远的FRB 20230521B，是研究中发现的迄今最远快速射电暴。

研究团队使用加州理工学院欧文斯谷射电天文台的Deep Synoptic Array（由110台射电望远镜组成）探测并识别了39次FRB。夏威夷W.M. Keck天文台和圣地亚哥帕洛玛天文台协助测量了FRB与地球的距离。其余30次FRB则由澳大利亚平方公里阵列探路者及其他全球望远镜发现。

快速射电暴的无线电波在传播过程中，光的扩散程度取决于路径中的物质总量。研究团队通过测量FRB信号减速情况，揭示了其沿途的气体分布。

快速射电暴的速度受传播介质影响，不同波长的光到达时间不同。长波红光较慢，短波蓝光较快。这种差异帮助天文学家测量隐形物质。

康纳表示，FRB的短暂脉冲是测量的关键，如同宇宙中的闪烁信标。“我们能精确测量射电脉冲在不同波长的减速（等离子体色散），从而计算重子总量。持续发光的恒星或非无线电光源无法实现这种测量。”

通过光的色散，团队绘制了FRB路径上的物质分布。

研究合著者、加州理工学院天文学助理教授维克拉姆·拉维表示：“FRB就像背光，照出重子的'影子'。即使只看到影子，也能知道它们的存在及其大致规模。”

研究发现，76%的宇宙物质以热、低密度气体形式存在于星系间，15%位于星系光晕，其余则以恒星、行星或冷气体形式存在于星系内。

宇宙学的突破工具。 研究结果与此前模拟预测一致。布法罗大学物理学教授威廉·金尼表示：“他们开发了一种寻找重子的新方法，但这些重子究竟在星系际介质还是光晕中，仍需进一步探索。”

康纳强调：“‘重子失踪问题’从来不是关于它们是否存在，而在于它们在哪。多亏FRB，我们发现四分之三的重子漂浮在星系间的宇宙网中。”

了解普通物质分布有助于揭示星系的形成与演化。康纳表示：“重子在引力作用下被拉入星系，但超大质量黑洞和恒星爆炸会将气体喷出，宛如宇宙的‘恒温器’调节温度。我们的结果表明，这种反馈机制非常有效。”

拉维补充，FRB还可帮助绘制由暗物质主导的宇宙网这一宇宙支柱结构。

康纳透露，加州理工学院计划在内华达沙漠建造新型射电望远镜，预计每年可发现并追踪上万次FRB，深化研究成果。

拉维总结：“这是现代天文学的胜利。FRB让我们以全新视角审视宇宙结构与组成。这些短暂闪光揭示了星系间原本不可见的物质。”

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