在“迷失的世界”寻找热等离子气体

科学家开展了一项银河系外太空领域的研究，加深了人们对宇宙构成的理解，位于哼茨维尔的阿拉巴马大学的天体物理学家仔细查验了钱德拉X——射线天文台收集的数据，纠正了天文学家过去的一种认识，即：星系中的可见物质数量比理论预测的数量少。宇宙中的物质主要由重元素粒子构成，长期以来，天体物理学界有一个十分流行的观点，部分星系的物质质量或重子消失了，如何解释“迷失的重子”成了天文学的一大课题。阿拉巴马大学的研究人员发现，迷失的重子数没有以前估计的那么严重，实际上有一定比例的重子物质“潜藏”在大而明亮的星系团之内。

科学团队经过对大型星系团的观测和分析后发现，过去的天文观测忽视了一定比例的重子物质，它们不是神秘地消失了，而是“潜伏”在大型星系团的气体中。宇宙中的可见物质由重子等粒子构成，它们来自于宇宙大爆炸之后的微观粒子合成。阿拉巴马大学和英国布里斯托大学等的研究人员组成了一支科学团队，他们的一项研究成果在牛津大学出版社发行和英国皇家天文学会举办的《每月通讯》杂志上发表。科学团队的使命是解释星系中重子数量的亏损现象。科学家通过理论计算发现了宇宙中缺失的重子数量，但天文学家在实际观测中没有找到它们的踪迹。

暗能量在宇宙的总成分中占到大约75%，可见物质和暗物质占到了大约25%，其中的大约16%是人们熟知的可见物质，84%是人们不熟悉的暗物质。人们周围的天地万物由可见物质构成。科学家目前不知暗物质是如何构成的，它们的存在和特性在人们的感知能力之外，暗物质可能由某种特定类型的物质粒子构成，它们似乎释放了不可探测的能量。暗能量、暗物质和普通重子物质组成了一幅完整物质世界的拼图，它们在宇宙成分中的占比不同，不同物质类型的占比加起来等于100%。人们不知暗物质和暗能量是什么，但可以用简单而完整的物质拼图描绘宇宙总成分的各个构成。

暗能量显示了排斥力的特性，暗物质和重子物质或普通物质表现了吸引力的属性，在暗物质和重子物质的引力作用下，宇宙万物在各自的范围相互聚集在一起，通过物质的聚合过程中形成了宇宙中的恒星和行星、星系和星系团。科学团队通过查验钱德拉X射线天文台的观测数据后发现，在星系和星系、星系团和星系团之间的广阔空间分布了大量的扩散性灼热等离子气体，它们的广泛分布在很大程度上弥补了“迷失的重子”。

在星系之间的巨大空域充斥了炙热的等离子体气体，它们的温度可以达到1亿度，这些等离子体气体在广袤的星际空间四处扩散，热容量变得很低，好似人们将自己的手指伸进了滚烫的沸水，或将手臂伸进了温度为212华氏度或100摄氏度的房间。假如有“二选一”的难题，人们显然会做出经验性的选择，将自己的手臂伸进100摄氏度的房间，人们的经验选择适合物理学的基本原理，人的手臂之所以能够承受房间的高温，原因是热量在房间的扩散效应大，一个房间的热容量比一壶开水的热容量低了很多。

引力作用聚合了热气体，而热的气体在引力小的空间没有选择简单的逃逸行为，人们对热的等离子气体有两点认识：一是测量普通物质的重子成分，热气体中有重子物质，二是当热气体聚集起来时，可以测量聚在一起的物质数量，包括将气体物质聚在一起的暗物质数量。理论的分析表明，所有的宇宙空间包含了同样比例的可见物质和暗物质或宇宙物质的分布基本均匀，在宇宙空间的任何地方抽取样本物质时，物质和暗物质的比例没有什么不同，通过分析宇宙微波背景辐射图谱，天体物理学家证明了宇宙物质分布基本均匀的事实。

宇宙微波背景辐射图谱反映了宇宙过去的样态，它是宇宙大爆炸后遗存的辐射，可见物质和暗物质在宇宙空间各处的比例是相同的，总物质在宇宙大爆炸后呈现了均匀分布的状态，好似人们走到了海岸边的各处，用勺子在不同的海面舀取了一勺子海水，海水的盐分比重或海水盐分的集中度在各处都一样，从此岸取水，从彼岸取水，从岸边任何位置的海面取水，海水的盐分比重都是相同的。

天体物理学家过去的研究成果表明，有些星系中的重子成分不足，实际观测和理论预期的数量有很大的差距，科学家十分关注缺失的重子物质“去哪儿了”或存在于什么地方。星系中缺失的重子物质比重为16%，或在16%的重子物质中，有一部分迷失了，科学团队小组似乎找到了缺失或遗失的一部分重子物质，所有的重子物质都在星系团中。大多数明亮的星系团含有理论预期的重子物质，占16%比例的重子物质实际上没有发生丢失的现象。

在过去的天文记录中出现了重子物质缺失的谜题，科学团队探索了不同的理论路径，小的星系团与大的星系团相比，重子的集中度或比重低，在有些引力相对弱的区域，热气体摆脱了引力的作用，逃逸的过程好似有些行星失去了大气层。气体在引力作用下相互聚合，一部分气体在引力不足时从气体团中逃逸出去。大星系团和小星系团都是科学团队的研究对象。科学团队的孙明博士重点研究小星系团，他从弗吉尼亚大学转入阿拉巴马大学，兴趣和好奇心促使他参与了星系团中重子物质部分迷失的课题研究。

（编译：2021-7-28）

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