IT之家 12 月 28 日消息，若你用望遠(yuǎn)鏡眺望宇宙，會看到無數(shù)星系。這些星系大多擁有超大質(zhì)量的中心黑洞、數(shù)十億顆恒星，以及圍繞恒星運(yùn)行的行星。宇宙中充斥著體積龐大、壯麗璀璨的天體，人們或許會認(rèn)為，宇宙中的絕大部分物質(zhì)都集中在這些巨型天體之中。

但大爆炸理論預(yù)測，宇宙中約 5% 的物質(zhì)應(yīng)當(dāng)是由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的原子。而這些原子中的絕大多數(shù)，都無法在恒星和星系中找到，這一矛盾現(xiàn)象長期困擾著天文學(xué)家。

既然這些物質(zhì)不在可見的恒星與星系里，那么它們最有可能的藏身之處，便是星系之間的廣袤虛空。盡管太空常被稱作真空，但它并非完全空無一物。單個粒子和原子彌散在恒星與星系的空間中，構(gòu)成了一個昏暗、呈絲狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的“宇宙網(wǎng)”。

2025 年 6 月發(fā)表的一項研究中，一個科學(xué)家團(tuán)隊運(yùn)用一種獨(dú)特的射電技術(shù)，完成了對宇宙中普通物質(zhì)的普查。

普通物質(zhì)普查

尋找普通物質(zhì)，最直觀的目標(biāo)便是恒星。引力將恒星匯聚成星系，天文學(xué)家能夠統(tǒng)計可觀測宇宙內(nèi)的所有星系數(shù)量。

據(jù)普查結(jié)果，宇宙中約有數(shù)千億個星系，每個星系又包含數(shù)千億顆恒星。不過這個數(shù)字存在不確定性，因為有許多恒星游離于星系之外。據(jù)估算，宇宙中恒星總數(shù)約為 10 的 23 次方顆，這一數(shù)量是地球上所有沙灘沙子總數(shù)的數(shù)百倍。而宇宙中的原子總數(shù)，更是達(dá)到了約 10 的 82 次方個。

然而，如此龐大的數(shù)量，與大爆炸理論預(yù)測的物質(zhì)總量仍相去甚遠(yuǎn)。精確核算表明，恒星僅占宇宙物質(zhì)總量的 0.5%。據(jù)推測，宇宙中漂浮著的自由原子數(shù)量，是恒星中原子數(shù)量的十倍。而除氫、氦之外的其他元素 —— 包括碳，以及構(gòu)成生命的所有基礎(chǔ)物質(zhì)，僅占宇宙物質(zhì)總量的 0.03%。

探秘星系際空間

星系際介質(zhì)，即星系之間的空間，近乎完全真空，其密度約為每立方米 1 個原子，這一密度還不到地球空氣密度的萬億億分之一。但考慮到宇宙直徑高達(dá) 920 億光年，即便密度如此之低，這種彌散介質(zhì)所累積的物質(zhì)總量依然相當(dāng)可觀。

據(jù)IT之家了解，星系際介質(zhì)溫度極高，可達(dá)數(shù)百萬攝氏度。這一特性使其極難被觀測，唯有借助 X 射線望遠(yuǎn)鏡才能實(shí)現(xiàn) —— 因為超高溫氣體在宇宙中會以極短的 X 射線波長輻射能量。但 X 射線望遠(yuǎn)鏡的靈敏度有限，原因在于其體積小于大多數(shù)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

新工具登場

天文學(xué)家近期借助一種新型工具，攻克了這一“物質(zhì)失蹤”難題�？焖偕潆姳┦且环N強(qiáng)烈的射電波爆發(fā)，它在一毫秒內(nèi)釋放的能量，相當(dāng)于太陽三天釋放的能量總和。這類爆發(fā)于 2007 年首次被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家隨后證實(shí)，其源頭是遙遠(yuǎn)星系中致密的恒星殘骸。射電暴的能量在穿越宇宙空間的過程中會不斷衰減，當(dāng)這些能量抵達(dá)地球時，其強(qiáng)度已降至月球發(fā)射的手機(jī)信號抵達(dá)地球時強(qiáng)度的千分之一。

2025 年初的研究指出，快速射電暴的源頭，是超致密中子星周圍的強(qiáng)磁場區(qū)域。中子星是大質(zhì)量恒星在超新星爆發(fā)后，因自身引力坍縮形成的密度極高的殘骸。能夠發(fā)射射電暴的這類特殊中子星被稱為“磁星”，其磁場強(qiáng)度是地球磁場的千萬億倍。

盡管天文學(xué)家尚未完全弄清快速射電暴的成因，但他們已能利用這種現(xiàn)象來探測星系之間的空間。當(dāng)快速射電暴穿越宇宙時，其電波會與高溫星系際氣體中的電子發(fā)生作用，導(dǎo)致較長波長的電波速度減慢。射電信號會因此發(fā)生色散，就像三棱鏡將太陽光分解成彩虹一樣。天文學(xué)家通過測量信號的色散量，就能計算出射電暴在抵達(dá)地球的途中，穿過了多少星系際氣體。

謎題破解

2025 年 6 月發(fā)表的這項新研究中，來自加州理工學(xué)院和哈佛天體物理中心的天文學(xué)家團(tuán)隊，利用加利福尼亞州的一個由 110 臺射電望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，對 69 個快速射電暴展開了研究。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，宇宙中 76% 的普通物質(zhì)存在于星系之間的空間，15% 存在于星系暈（即星系中可見恒星周圍的區(qū)域），剩余的 9% 則存在于恒星內(nèi)部。

這項對宇宙普通物質(zhì)的完整普查，為大爆炸理論提供了有力佐證。該理論預(yù)測，宇宙誕生最初幾分鐘內(nèi)形成的普通物質(zhì)總量占比約為 5%，而此次研究恰好找到了這一比例的物質(zhì)，讓大爆炸理論通過了一項關(guān)鍵驗證。

截至目前，人類已觀測到數(shù)千個快速射電暴。未來即將建成的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，有望將射電暴的發(fā)現(xiàn)速率提升至每年 1 萬個。如此龐大的樣本量，將使快速射電暴成為宇宙學(xué)研究的強(qiáng)大工具。宇宙學(xué)是一門研究宇宙大小、形狀及演化過程的學(xué)科。借助快速射電暴，科學(xué)家不僅能統(tǒng)計原子數(shù)量，還能繪制出宇宙網(wǎng)的三維結(jié)構(gòu)。

宇宙物質(zhì)構(gòu)成餅圖

如今，科學(xué)家或許已經(jīng)摸清了普通物質(zhì)在宇宙中的分布全貌，但宇宙的絕大部分構(gòu)成，依然是他們尚未完全理解的存在。

宇宙中含量最豐富的兩種成分是暗物質(zhì)和暗能量，而人類對這兩者的認(rèn)知都十分有限。暗能量正在推動宇宙加速膨脹，暗物質(zhì)則是維系星系乃至整個宇宙結(jié)構(gòu)的“隱形黏合劑”。

暗物質(zhì)很可能是一種此前未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子，不屬于粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的范疇。物理學(xué)家至今未能直接探測到這種新型粒子，但我們可以確定它的存在 —— 根據(jù)廣義相對論，質(zhì)量會使光線發(fā)生彎曲，而人類觀測到的引力透鏡效應(yīng)，遠(yuǎn)超可見物質(zhì)所能產(chǎn)生的程度。引力透鏡效應(yīng)是指星系團(tuán)會像光學(xué)透鏡一樣，使經(jīng)過其附近的光線發(fā)生彎曲和放大。暗物質(zhì)的總質(zhì)量，是普通物質(zhì)的 5 倍以上。

一個謎題或許已經(jīng)解開，但更大的謎團(tuán)仍待探索。盡管暗物質(zhì)依舊神秘莫測，但我們?nèi)缃駥?gòu)成人類自身及周遭世界的普通原子，已經(jīng)有了極為深入的了解。