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1916年，爱因斯坦广义相对论的发表奠定了宇宙学的基础，随着哈勃发现宇宙膨胀及大量天文学家、物理学家不断深入，我们从理论上认识到宇宙始于大爆炸，存在大量暗物质和暗能量，4.9%的可见物质构成了宇宙万物，包括我们自己，然而在实际的观测当中，我们只找到了理论值的一部分，而另一部分在哪，直到近日之前它都是一个谜。
图：宇宙能量分布
在大量科学家把暗物质和暗能量作为攻坚目标的同时，还有一部分科学家在过去的30多年一直致力于寻找宇宙失踪的可见物质，直到最近我们才发现了它们的踪影。
物质
一个人，一部手机，一辆车，一个星球都是由分子与原子构成，又由原子核中的中子、质子及核外电子构成，再到基本粒子。
图：原子的构成
天文学可以通过光学望远镜接收遥远的星光，通过消除红移，对照光谱判断天体的元素构成；通过亮度来判断天体与我们的距离以及它的质量（质光关系）；射电望远镜的出现，使人类从可见光波段，提升到无线电波，红移更严重，距离更遥远、年代更久远的星空都可收入眼中，甚至全球8台联动拍摄到了黑洞照片。
图：黑洞吸积盘物质高速旋转相互撞击，产生辐射得以捕捉
明知却无能为力
实际上，科学家坚信星系的形成过程中有部分物质由于距离太过遥远并没有被纳入星系之中，而且这些物质占比高达90%以上。它们处于引力稀薄的星系“真空”区，虽然总量巨大，但架不住宇宙的广阔，因此它们也极为稀薄。失踪的物质就是稀薄物质中最为稀薄的部分。这就像是五六十年代的物理学家坚信黑洞一定存在，但科技却不允许它们证明。
图：星系间的距离
通过对失踪物质与空间的测算，它们的密度相当于一个卧室中（10平）至多也就1~2个原子。当光学望远镜对着一个空旷的区域，这些物质无法产生足够多的光子，只能感知到孤寂与黑暗，并背景星光的强度也能掩盖它们，当然它们已经渺小得连掩盖都用不上。
图：人类跨出的第一步，也是目前的最后一步
在宇宙中，距离越是遥远也预示着年代更是久远，射电望远镜让人类的视野从几亿光年上升到了突破了几百亿光年。然而射电虽然能接收更长的无线电波，但对于微小的失踪的物质也是无能为力，“太空望远镜并非太空显微镜”。我们身处星系之中，探测器更是连太阳系都没出去过，到星系之间“实地考察”更不现实。
图：射电望远镜仰望星空
发现
近日,发表在《自然》上的一篇新论文声称终于发现了失踪的物质，这个发现源于射电与光学共同对“快速射电暴（FRB）”的观测。
图：其他星系向地球发射快速无线电脉冲信号
FRB的起源目前还是一个谜，可能来源于近期超新星的爆发或者活动剧烈的恒星破碎，向外暴喷出持续时间极短、能量极大的无线电脉冲信号。FRB是随机出现的，每次只会持续几毫秒，但携带的能量却相当于太阳80年的苦劳。
图：快速射电暴
为了观测总是搞“突然袭击”的信号，研究人员利用了澳大利亚平方公里阵列探路射电望远镜（ASKAP），这是目前唯一既可以检测FRB，又精准发现FRB起源星系的望远镜。
图：澳大利亚平方公里阵列探路射电望远镜
当袭击地球的FRB出现时，ASKAP能在不到一秒的时间内记录并进行实时直播，ASKAP植入了快速无线电脉冲捕获系统，特别是对于FRB出发地的测量精确度非常高。因此研究人员可以通过光学得到星系与地球的距离，并与脉冲数据进行匹配，最终得出失踪物质存在与否，那么它们具体是怎么做到的？
图：FRB如果在星系间遇到自由电子会发生散射
越是湍急的水流遇到障碍物，越容易改变形态，哪怕是一块小小的石子。
虽然失踪物质极为稀薄，但是遥远星系发出的FRB需要经历数百万光年，甚至上亿光年的旅程才能到达地球，只要失踪的物质存在，有些无线电波肯定是会与它相会的。如果太空中空无一物，那么FRB从星系怎么出发的就会怎么到达地球，不同波长的FRB都会以相同的速度传播。
图：星系之间不存在物质的FRB
但如果太空中并非空无一物，高能的FRB必然会与物质中的电子发生作用，这个过程如同阳光经过三棱镜，会被散射成七色光。
研究人员得到的数据是这样的：
图：FRB遇到自由电子之后的变化
数据表明了空旷的太空之中存在失踪的物质，但这还不够。这种方法可以测算出FRB驶来的每个朝向上星系间的电子密度，而电子又对应电离重子（中子和质子）。
图：不同位置的FRB的6次冲击
科学家预计只需得到六次FRB数据就可以还原整个宇宙中星系间的物质总量。宇宙中普通物质分布决定对星系、恒星和行星的形成至关重要，我们或许还可以从中得到暗物质与暗能量等不可见的结构信息。失踪的物质可以隐藏，但是早晚都会被我们揪出来。
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雷达卡
发表于 2020-9-13 12:08:09
