多年來，宇宙隱藏著一個令宇宙學家困惑的秘密。
近一半的宇宙普通物質，負責構建從質子和恆星到行星和人類的一切，由於其散佈性質而顯得難以捉摸。科學家們曾認為這些物質是“失踪”的——直到現在。
在一項突破性研究中，加州理工學院和哈佛-史密松天體物理中心的天文學家成功地使用快速無線電爆發（FRBs）直接探測到這些失踪的物質。FRBs 是來自遙遠星系的短暫而強大的無線電波閃光。
這些宇宙信號僅持續幾毫秒，作為精確的探測工具，照亮了本來不可見的星際介質。
明亮的爆炸，隱藏的物質
當這些 FRBs 穿越數十億光年抵達地球時，它們會經過星系之間的電離氣體雲。無線電波根據所遇到的物質量稍微減速。
通過測量這種延遲，即所謂的色散，科學家可以計算 FRBs 路徑中的隱形物質量。
哈佛大學助理教授及研究首席作者 Liam Connor 表示：「FRBs 照亮了星際介質的霧，通過精確測量光的減速，我們可以稱量這些霧，即使它們太微弱而無法看見。」
這項研究分析了 69 個明確定位的 FRBs，每個 FRB 都有一個宿主星系和已知距離。其中一個 FRB，被稱為 FRB 20230521B，位於驚人的 91 億光年之外，成為有史以來最遙遠的快速無線電爆發。
儘管天文學家至今已探測到超過一千個 FRBs，但只有約一百個被準確追溯到其宿主星系。這種定位至關重要，因為了解 FRB 的起源和距離對於使用它來繪製它所經過的物質至關重要，使這些少數 FRBs 成為本研究的關鍵。
在這些 FRBs 中，有 39 個是使用加州的 Deep Synoptic Array (DSA)-110 探測到的，該網絡由 110 個無線電天線組成，專門設計用於檢測和定位 FRBs。其餘的 FRBs 來自全球觀測站，包括澳大利亞的平方公里陣列先驅。夏威夷的 W. M. Keck 天文台和位於聖地亞哥附近的帕洛馬天文台的儀器幫助確定了每個 FRB 的宿主星系的距離。
研究結果確認大約 76% 的普通物質存在於星際介質中，薄薄地散佈在空間中。另有 15% 存在於環繞星系的氣體暈中，而只有少量存在於星系內部，即恆星或冷的星系氣體中。
加州理工學院助理教授 Vikram Ravi 表示：「這就像我們在看到所有重子（baryons）的陰影，而 FRBs 則是背光。」
「如果你看到一個人在你面前，你可以了解很多關於他們的事情。但如果你只看到他們的陰影，你仍然知道他們的存在和大致大小。」
隱形粒子，重要線索
這種物質的分佈與先進宇宙學模擬的預測相符，但從未在觀測上得到確認——直到現在。
這些發現還為探測基本物理學開闢了新途徑。例如，它們可能有助於確定稱為中微子的亞原子粒子的質量。
雖然粒子物理學的標準模型假設中微子沒有質量，但現實觀測結果卻暗示相反。了解它們的精確質量可能會打開超越當前理論的物理學大門。
Ravi 認為，FRBs 在宇宙學中的應用才剛剛開始。加州理工學院正在開發的 DSA-2000 無線電望遠鏡，預計每年將定位多達 10,000 個 FRBs，這將大大擴大它們在探測宇宙結構中的作用。
這項研究發表在《自然天文學》期刊上，並得到了美國國家科學基金會的資助。
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