宇宙中近三分之一的質量仍然無法“找到”，有觀點認爲它們可能以溫-熱星系際介質（WHIM）的形式存在。來自錢德拉 X 射線天文臺的觀測結果爲這一觀點提供了支持。

圖片來源：Chandra X-ray Center

撰文 錢德拉X射線天文臺

翻譯 LYM

審校 戚譯引

幾十年來，天文學家們一直在尋找一樣聽起來很難丟失的東西：宇宙中大約三分之一的正常物質（normal matter）。美國國家航空航天局（NASA）的錢德拉 X 射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）的最新研究結果可能有助於解開謎團。

通過對獨立、完善的觀測結果進行彙總，科學家們已經有信心計算出在大爆炸剛剛發生後存在多少正常物質，即氫、氦和其他元素。在大爆炸發生的最初幾分鐘到大約第一個 10 億年之間的時間裏，大部分的正常物質變成了宇宙塵埃、氣體或其他物體，例如現在我們可以用天文望遠鏡看到恆星和行星。

然而問題在於，當天文學家把當前宇宙中所有正常物質的質量加在一起的時候，其中大約三分之一的質量無法找到。（這類缺失的物質與仍然神祕的暗物質不同。）

有一種觀點是，在星系際空間中，缺失的質量聚集成巨大的股狀或絲狀的溫暖氣體（溫度低於 100,000 開爾文）和熱（溫度高於 100,000 開爾文）氣體。這些細絲狀氣體被天文學家稱爲溫-熱星系際介質（warm-hot intergalactic medium，WHIM）。 它們對於光學望遠鏡是不可見的，但是一些絲狀氣體已經在紫外線波段被探測到。

基於錢德拉 X 射線天文臺和其它天文臺的數據，研究人員藉助一種新技術，發現了熱星系際介質存在的新的有力證據。

“如果我們找到了缺失的質量，我們就可以解決天體物理學中最大的難題之一，” 哈佛-史密森尼天體物理學中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，CfA）的奧爾索亞科瓦奇（Orsolya Kovacs）說，“宇宙把那麼多組成恆星、行星和我們的物質藏在哪裏呢？”

利用錢德拉天文臺，天文學家沿着從地球到一顆類星體的路徑尋找和研究狀溫暖氣體，類星體是明亮的X射線源，由快速增長的超大質量黑洞驅動，研究中這個類星體位於離地球約 35 億光年的地方。如果 WHIM 中的熱氣體成分與這些絲狀結構有關，那麼來自類星體的一部分 X 射線將被熱氣體吸收。因此，他們在錢德拉天文臺探測到的類星體 X 射線中尋找熱氣體的特徵。

圖片來源：NASA/CXC/K. Williamson, Springel et al.

這種方法的挑戰之一是，與來自類星體的 X 射線總量相比，星系際介質吸收的信號較弱。在整個 X 射線光譜中搜索不同波長時，很難將這種微弱的吸收特徵（即星系際介質的實際信號）和隨機波動區分開來。

爲了克服這一問題，科瓦奇和她的團隊只將搜索範圍集中在 X 射線光譜的某些部分，這減少了假陽性的可能性。首先，他們識別出靠近地球到類星體視線、距離與該類星體相當的星系，這些區域就是從紫外線波段數據中探測到的熱氣體所在的地方。藉助這項技術，他們鑑定出了 17 個可能存在於類星體和我們之間的絲狀結構，並得出了它們的距離。

由於宇宙膨脹會拉伸傳播中的光，絲狀結構在光傳播的過程中會向外延伸，因此這些細絲中物質對 X 射線的任何吸收都會向長波長方向進行紅移。紅移的多少取決於到絲狀體的已知距離，因此研究小組可以知道，爲了找到星際間介質的吸收光譜，應該在什麼位置進行搜索。

“我們的技巧類似於如何在非洲廣闊的平原上有效地搜索動物，”來自 CfA 的合著者阿克斯?博格丹（Akos Bogdan）說，“我們知道動物需要喝水，所以先在水坑周圍尋找是有意義的。”

在縮小搜索範圍的同時，研究人員還必須克服X射線吸收微弱的問題。因此，他們將 17 根絲狀體的光譜加在一起，將 5.5 天的觀測結果轉化爲相當於 100 天的數據，從而增強了信號。利用這項技術，他們檢測到了氧，其特徵表明它存在於溫度約爲 100 萬開爾文的氣體中。

研究人員報告，通過將對氧元素的觀測結果推廣到所有元素，以及將觀測區域外推到局部宇宙，他們可以解釋完全數量的失蹤物質。至少在這種特定的情況下，丟失的物質隱藏在星際間介質中。

來自 CfA 的論文共同作者蘭德爾·史密斯（Randall Smith）說：“我們很高興能夠找到一些丟失的物質。在未來，我們可以將同樣的方法應用到其他類星體數據中，以確認我們是否真的破解了這個長期存在的謎團。”

文章研究結果最初發表於 2019 年 2 月 13 日的Astrophysical Journal。