宇宙中存在的大多数物质都是不可见的，只能通过其对引力的影响来探测。这种物质被称为暗物质。相比之下，我们更熟悉的物质，从原子到行星再到人类，仅占所有物质的16%。这种物质被称为普通物质或“重子”物质，它们会发光，因此可以被观测到。然而，它们中的大部分都以非常稀薄的量分散开来，要么存在于环绕星系的晕中，要么漂浮在遥远的星系之间。
一项新的研究利用快速射电暴（FRB，来自遥远星系的短暂而明亮的无线电信号）作为指引，精确定位了宇宙中“失踪”的物质。这幅艺术构想图描绘了明亮的无线电波脉冲（FRB）穿越星系间迷雾（即星系际介质）的场景。红色的长波波长与蓝色的短波波长相比速度减慢，这使得天文学家能够“称量”原本不可见的普通物质。图片来源：Melissa Weiss/CfA
由于这些物质分布非常广泛，科学家们长期以来一直无法探测到其中大约一半的物质。直到现在，这部分“缺失”的物质仍然下落不明。
在《自然天文学》杂志发表的一项研究中，加州理工学院和哈佛与史密森天体物理中心（CfA）的研究人员报告称，他们首次成功发现并测量了此前缺失的普通物质。为此，他们利用了来自太空的无线电波爆发，即快速射电暴（FRB），这是一种短暂而强大的能量闪光，可以传播数十亿光年。
“FRB 可以穿透星系际介质的迷雾，通过精确测量光速的减慢，我们可以测量这团迷雾的重量，即使它太微弱而无法被看见，”哈佛大学助理教授、该研究的主要作者利亚姆·康纳 (Liam Connor) 说道，他在担任加州理工学院研究助理教授期间，与加州理工学院天文学助理教授维克拉姆·拉维 (Vikram Ravi) 一起完成了大部分工作。
这张艺术家绘制的图表描绘了研究中60个FRB中的一部分——FRB 20221219A、FRB 20231220A和FRB 20240123A——它们被用来追踪气体在星系间空间的旅程，并绘制宇宙网络图。图片来源：Jack Madden/CfA， IllustrisTNG Simulations
该团队研究了69个不同的FRB，每个FRB的距离约为1174万光年到91亿光年。研究中距离最远的一个FRB被称为FRB 20230521B，是迄今为止记录到的最远的FRB。尽管迄今为止已发现一千多个FRB，但只有大约100个能够追溯到它们的起源星系。这个特定的子集，其位置和距离都是已知的，对于研究人员的测量至关重要。
在分析中使用的69个FRB中，有39个是由深层综合阵列-110（DSA-110）识别的。DSA-110是一个由110台射电望远镜组成的网络，由美国国家科学基金会资助，位于加州理工学院位于加州毕晓普附近的欧文谷射电天文台。DSA-110专为探测和精确定位FRB而建造。在发现这些爆发后，该团队使用了其他望远镜，包括夏威夷的WM凯克天文台和圣地亚哥附近的帕洛玛天文台，来测量爆发的起源距离。其余30个FRB来自世界其他地区的望远镜，其中大多数是由澳大利亚平方公里阵列探路者号探测到的。
这些FRB本身就令人着迷，但在这项研究中，它们被用来探测失踪的普通物质；其他技术此前仅暗示了它的存在。当射频光从FRB传播到地球时，它会扩散成不同的波长，就像棱镜将阳光变成彩虹一样。这种扩散或散射的程度取决于光路中物质的数量。
“这就像我们看到所有重子的影子，以FRB作为背光，”拉维说。“如果你看到一个人在你面前，你就能发现很多关于他们的信息。但如果你只看到他们的影子，你仍然知道他们在那里，以及他们大概有多大。”
这幅艺术家的构想描绘了构成星系际介质（IGM）的温暖稀薄气体中的普通物质——迄今为止，科学家们一直难以直接观测到这种物质。不同颜色的光在太空中传播的速度不同。艺术家用蓝色来突出宇宙网中密度较高的区域，并用红色来表示空洞区域。 图片来源：Jack Madden、IllustrisTNG、Ralf Konietzka、Liam Connor/CfA
研究结果显示，宇宙中76%的正常物质位于星系之间的空间，也称为星系际介质。约15%位于星系晕中，其余部分则集中在星系内部——恒星或冷星系气体中。这种分布与先进的宇宙学模拟预测相符，但迄今为止尚未得到观测证实。
这些发现将有助于研究人员更好地理解星系的生长方式，并揭示快速射电暴如何帮助解决宇宙学问题，包括确定被称为中微子的亚原子粒子的典型质量。（中微子的质量取决于重子的聚集程度。）标准物理学模型预测中微子应该没有质量，但观测表明，这些粒子的质量极其微小。因此，了解中微子的精确质量可能会带来超越粒子物理学标准模型的新物理学。
拉维表示，这仅仅是快速射电暴在宇宙学应用的开始。未来，加州理工学院位于内华达沙漠的DSA-2000射电望远镜（目前正处于规划阶段）将以此为基础开展类似的研究。该射电阵列每年将发现并定位多达10000个快速射电暴，这将极大地增强其作为普通物质探测器的作用，并加深我们对极端爆发的整体认识。
编译自/scitechdaily