在一项突破性研究中，快速射电暴帮助天文学家将76%的普通物质追踪到了星系际介质中。

多年来，宇宙一直保守着一个让宇宙学家困惑的秘密。

宇宙中近一半的普通物质 —— 构成从质子、恒星到行星和人类等一切事物的基本物质 —— 由于其弥散的特性，一直难以捉摸。科学家们曾认为它是“失踪”的 —— 直到现在。

如今，在一项突破性的研究中，来自加州理工学院和哈佛-史密松天体物理中心（CfA）的天文学家们，利用快速射电暴（FRBs）—— 这种源自遥远星系的短暂而强大的无线电波爆发 —— 成功地直接探测到了这些失踪的物质。

这些仅持续毫秒的宇宙信号，如同精确的探针，照亮了原本不可见的星系际介质。

明亮的爆发，隐藏的物质

当这些快速射电暴穿越数十亿光年抵达地球时，它们会穿过星系间的电离气体云。无线电波在途中遇到的物质多少会使其速度发生极其微小的减缓。

通过测量这种被称为“色散”的延迟，科学家可以计算出快速射电暴路径上不可见物质的数量。

“快速射电暴穿透了星系际介质的迷雾，通过精确测量光速减缓的程度，我们就能给这片迷雾‘称重’，即使它暗弱到无法直接看见，”哈佛大学助理教授、该研究的主要作者利亚姆·康纳（Liam Connor）解释道。

该研究分析了69个位置精确确定的快速射电暴，每个都确定了其宿主星系和已知距离。其中一个被研究的快速射电暴，编号为FRB 20230521B，距离地球远达91亿光年，是迄今记录到的最遥远的快速射电暴。

尽管天文学家迄今已探测到超过一千个快速射电暴，但只有大约一百个被精确追溯到了其宿主星系。这种定位至关重要，因为知道快速射电暴的来源和距离，是利用它来绘制其穿过的物质分布图的关键，这使得这精选出的少数几个快速射电暴成为当前研究的核心。

其中，有39个是由位于加利福尼亚州的深空同步阵列（DSA）-110发现的，这是一个由110个射电天线组成的网络，专门用于探测和定位快速射电暴。其余的快速射电暴数据来自全球各地的天文台，包括澳大利亚的平方公里阵列探路者望远镜。夏威夷的W. M. 凯克天文台和圣地亚哥附近的帕洛马天文台的仪器帮助确定了每个快速射电暴宿主星系的距离。

他们的研究结果证实，大约76%的普通物质存在于星系际介质中，稀薄地散布在宇宙空间中。另有15%存在于环绕星系的气体晕中，而只有一小部分存在于星系内部的恒星或冷气体中。

“这就像我们看到了所有重子（普通物质）的影子，而快速射电暴就是背景光源，”加州理工学院天文学助理教授维克拉姆·拉维（Vikram Ravi）说。“如果你看到一个人站在你面前，你能了解到他的很多信息。但如果你只看到他的影子，你仍然知道他在那里，并且大致知道他有多高大。”

幽灵粒子，重大线索

这种物质分布与先进的宇宙学模拟做出的预测相符，但此前从未通过观测得到证实 —— 直到现在。

这些发现也为探索基础物理学开辟了新途径。例如，它们可能有助于确定一种被称为中微子的亚原子粒子的质量。

虽然粒子物理学的标准模型假设中微子没有质量，但实际观测表明并非如此。了解它们的精确质量可能揭开超越当前理论的物理学新篇章。

据拉维说，快速射电暴在宇宙学研究中的应用才刚刚开始。加州理工学院正在内华达沙漠开发的新项目 —— DSA-2000射电望远镜 —— 预计每年能定位多达10,000个快速射电暴，这将极大地扩展它们在探测宇宙结构中的作用。

这项发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）期刊上的研究由美国国家科学基金会资助。

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