「快速電波爆」破解宇宙失蹤物質

更新於 06月17日09:05 • 發布於 06月17日09:00 • 高詩豪

長期以來，天文學家知道宇宙中的「普通物質」（baryonic matter）只有一小部分存在於恆星、星系和氣體雲，卻一直找不到剩餘的一大半。這些物質主要由「質子」和「中子」組成，卻難以被傳統望遠鏡直接觀測到。過去，天文學家曾透過X射線和紫外線觀測，推測大量普通物質以稀薄、溫暖的氣體型態存在於星系之間的「星際介質」（IGM），但這些推論一直缺乏直接證據。

最新發表於《Nature Astronomy》的國際團隊研究，首度利用「快速電波爆」（Fast radio burst，FRBs）來精確測量並定位這批失蹤物質。FRBs 是來自遙遠星系、極短暫又明亮的射電信號，當它們穿越宇宙網絡時會因「電子密度」而被延遲。藉由分析60個來自不同距離（從一千多萬到逾九十億光年）的 FRBs，研究人員計算每個訊號在穿越星際介質時的延遲程度，藉此「秤重」星系間稀薄氣體的含量。

結果顯示，約76%的宇宙普通物質分布在星系之間的介質中，還有約15%存在於星系暈，僅有極少數集中於恆星或冷氣體內。這一分布情況正與最先進的宇宙學模擬預測相符，但這次是首次透過實際觀測獲得明確證實。

藉由穿越星際介質時的延遲程度，「秤重」星系間稀薄氣體含量

這張圖展示了科學家如何利用快速射電暴（FRB）訊號，統計推估宇宙中普通物質（重子）的分布比例。橘色代表所有 FRBs 資料，藍色則只用 DSA-110 望遠鏡的 FRBs。橫軸與縱軸分別為不同模型參數，例如 IGM 物質分數 fIGMf、星系暈分數 fxf_x、母星系電子密度μhost與 σhost。每一格內的橢圓輪廓代表參數間的可能關係，越靠近中心的不透明區域，代表機率越高。結果顯示，大約七成宇宙物質都分布在星系間的稀薄氣體裡，無論採用哪一組 FRB 資料，結論都一致可信。（圖／《Nature Astronomy》）

哈佛-史密松天體物理中心的 Liam Connor 博士指出：「FRBs 就像照亮宇宙迷霧的閃光燈，幫助我們追蹤平時不可見的物質。」團隊並發現，星系中的重力會將物質吸入，但超大質量黑洞與超新星爆炸又會將這些氣體強力噴發回宇宙網絡，類似於「宇宙的溫控系統」。這種正負回饋讓絕大多數的物質最終長期漂浮於星系之外，構成龐大又難以直觀辨識的宇宙網絡結構。

這項突破性研究不僅解決了數十年來的「失蹤重子問題」，也為我們理解星系演化、黑洞活動及宇宙結構提供了嶄新依據，更展現 FRBs 作為新一代宇宙探針的巨大潛力。

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首圖來源：Jack Madden / IllustrisTNG / Ralf Konietzka / Liam Connor, CfA.(CC BY 4.0)

圖片來源：Nature Astronomy(CC BY 4.0)

參考論文：
1、A gas-rich cosmic web revealed by the partitioning of the missing baryonsNature Astronomy

延伸閱讀：
1、台灣之光！彰化師範大學團隊發現「磁星」與「快速電波爆」關聯

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