寻找宇宙中“丢失”的质量

宇宙中近三分之一的质量仍然无法“找到”，有观点认为它们可能以温-热星系际介质（WHIM）的形式存在。来自钱德拉 X 射线天文台的观测结果为这一观点提供了支持。

图片来源：Chandra X-ray Center

撰文 钱德拉X射线天文台

翻译 LYM

审校 戚译引

几十年来，天文学家们一直在寻找一样听起来很难丢失的东西：宇宙中大约三分之一的正常物质（normal matter）。美国国家航空航天局（NASA）的钱德拉 X 射线天文台（Chandra X-ray Observatory）的最新研究结果可能有助于解开谜团。

通过对独立、完善的观测结果进行汇总，科学家们已经有信心计算出在大爆炸刚刚发生后存在多少正常物质，即氢、氦和其他元素。在大爆炸发生的最初几分钟到大约第一个 10 亿年之间的时间里，大部分的正常物质变成了宇宙尘埃、气体或其他物体，例如现在我们可以用天文望远镜看到恒星和行星。

然而问题在于，当天文学家把当前宇宙中所有正常物质的质量加在一起的时候，其中大约三分之一的质量无法找到。（这类缺失的物质与仍然神秘的暗物质不同。）

有一种观点是，在星系际空间中，缺失的质量聚集成巨大的股状或丝状的温暖气体（温度低于 100,000 开尔文）和热（温度高于 100,000 开尔文）气体。这些细丝状气体被天文学家称为温-热星系际介质（warm-hot intergalactic medium，WHIM）。 它们对于光学望远镜是不可见的，但是一些丝状气体已经在紫外线波段被探测到。

基于钱德拉 X 射线天文台和其它天文台的数据，研究人员借助一种新技术，发现了热星系际介质存在的新的有力证据。

“如果我们找到了缺失的质量，我们就可以解决天体物理学中最大的难题之一，” 哈佛-史密森尼天体物理学中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，CfA）的奥尔索亚▪科瓦奇（Orsolya Kovacs）说，“宇宙把那么多组成恒星、行星和我们的物质藏在哪里呢？”

利用钱德拉天文台，天文学家沿着从地球到一颗类星体的路径寻找和研究状温暖气体，类星体是明亮的X射线源，由快速增长的超大质量黑洞驱动，研究中这个类星体位于离地球约 35 亿光年的地方。如果 WHIM 中的热气体成分与这些丝状结构有关，那么来自类星体的一部分 X 射线将被热气体吸收。因此，他们在钱德拉天文台探测到的类星体 X 射线中寻找热气体的特征。

图片来源：NASA/CXC/K. Williamson, Springel et al.

这种方法的挑战之一是，与来自类星体的 X 射线总量相比，星系际介质吸收的信号较弱。在整个 X 射线光谱中搜索不同波长时，很难将这种微弱的吸收特征（即星系际介质的实际信号）和随机波动区分开来。

为了克服这一问题，科瓦奇和她的团队只将搜索范围集中在 X 射线光谱的某些部分，这减少了假阳性的可能性。首先，他们识别出靠近地球到类星体视线、距离与该类星体相当的星系，这些区域就是从紫外线波段数据中探测到的热气体所在的地方。借助这项技术，他们鉴定出了 17 个可能存在于类星体和我们之间的丝状结构，并得出了它们的距离。

由于宇宙膨胀会拉伸传播中的光，丝状结构在光传播的过程中会向外延伸，因此这些细丝中物质对 X 射线的任何吸收都会向长波长方向进行红移。红移的多少取决于到丝状体的已知距离，因此研究小组可以知道，为了找到星际间介质的吸收光谱，应该在什么位置进行搜索。

“我们的技巧类似于如何在非洲广阔的平原上有效地搜索动物，”来自 CfA 的合著者阿克斯•博格丹（Akos Bogdan）说，“我们知道动物需要喝水，所以先在水坑周围寻找是有意义的。”

在缩小搜索范围的同时，研究人员还必须克服X射线吸收微弱的问题。因此，他们将 17 根丝状体的光谱加在一起，将 5.5 天的观测结果转化为相当于 100 天的数据，从而增强了信号。利用这项技术，他们检测到了氧，其特征表明它存在于温度约为 100 万开尔文的气体中。

研究人员报告，通过将对氧元素的观测结果推广到所有元素，以及将观测区域外推到局部宇宙，他们可以解释完全数量的失踪物质。至少在这种特定的情况下，丢失的物质隐藏在星际间介质中。

来自 CfA 的论文共同作者兰德尔·史密斯（Randall Smith）说：“我们很高兴能够找到一些丢失的物质。在未来，我们可以将同样的方法应用到其他类星体数据中，以确认我们是否真的破解了这个长期存在的谜团。”

文章研究结果最初发表于 2019 年 2 月 13 日的 Astrophysical Journal。 

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论文信息

【标题】Detection of the Missing Baryons toward the Sightline of H1821+643

【作者】Orsolya E. Kovacs, Akos Bogdan, Randall K. Smith, Ralph P. Kraft, William R. Forman

【期刊】Astrophysical Journal

【日期】13 Feb 2019

【摘要】Based on constraints from Big Bang nucleosynthesis and the cosmic microwave background, the baryon content of the high-redshift Universe can be precisely determined. However, at low redshift, about one-third of the baryons remain unaccounted for, which poses the long-standing missing baryon problem. The missing baryons are believed to reside in large-scale filaments in the form of warm-hot intergalactic medium (WHIM). In this work, we employ a novel stacking approach to explore the hot phases of the WHIM. Specifically, we utilize the 470 ks Chandra LETG data of the luminous quasar, H1821+643, along with previous measurements of UV absorption line systems and spectroscopic redshift measurements of galaxies toward the quasar's sightline. We repeatedly blueshift and stack the X-ray spectrum of the quasar corresponding to the redshifts of the 17 absorption line systems. Thus, we obtain a stacked spectrum with 8.0 Ms total exposure, which allows us to probe X-ray absorption lines with unparalleled sensitivity. Based on the stacked data, we detect an OVII absorption line that exhibits a Gaussian line profile and is statistically significant at the 3.3σ level. Since the redshifts of the UV absorption line systems were known a priori, this is the first definitive detection of an X-ray absorption line originating from the WHIM. The equivalent width of the OVII line is $(4.1\pm1.3) \ \mathrm{m\AA}$, which corresponds to an OVII column density of (1.4±0.4)×10¹⁵ cm⁻². We constrain the absorbing gas to have a density of n_H=(1−2)×10⁻⁶ cm⁻³ for a single WHIM filament. We derive Ωb(OVII)=(0.0023±0.0007)[fOVIIZ/Z⊙]⁻¹ for the cosmological mass density of OVII, assuming that all 17 systems contribute equally.

【链接】https://arxiv.org/abs/1812.04625

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