物理科学与技术学院天文学系方陶陶教授在《自然》主刊发表特邀评述文章
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发布时间: 2018-07-04 浏览次数: 1715


物理科学与技术学院天文学系方陶陶教授应邀在顶级期刊《自然》 (Nature)主刊杂志发表题为《宇宙网状结构中发现失踪重子》 (“Missing matter found in the cosmic web”)的评述文章(https://www.nature.com/articles/d41586-018-05432-2)。在文章中, 方陶陶教授回顾了在寻找失踪宇宙重子方向上的历史,评述了最新进展,并对该方向的今后发展进行了展望。

我们生活在一个“黑暗的”宇宙:约有高达95%的宇宙成分是我们未曾发现的暗物质和暗能量;只有剩下的5%是我们熟悉的普通物质,包括中子,质子等基本粒子,以及由他们组成的所谓“重子物质”。然而,即使是这5%的普通物质,根据对邻近宇宙发光物质的观测,我们发现有高达一半的物质未能找到,由此产生著名的“失踪重子问题”。

近一步的理论及计算机大规模宇宙学数值模拟表明,宇宙的大尺度结构物质分布类似于一张巨大的蜘蛛网,在节点处存在由从成千上万个星系所构成的星系团,而失踪的重子物质则存在于连接这些节点的纤维状结构上。

图一 宇宙的蜘蛛网状结构。宇宙的大尺度结构物质分布类似于一张巨大的蜘蛛网,在节点处存在由从成千上万个星系所构成的星系团,而失踪的重子物质则存在于连接这些节点的纤维状结构上。

为什么这些失踪的重子物质很难探测到?

在评述中,方陶陶教授认为,主要有两方面原因,一是由于纤维状结构中的重子物质密度极低,是银河系内星际介质密度的百万到千万分之一;二是高温使占宇宙中最丰富的元素 - 氢 - 被完全电离,从而很难用光谱的方法探测到。在这种情况下,一个较为有效的方法就是利用存在于纤维状结构中丰度相对较低的重元素,比如氧。在相同的高温下其离子还存在一两个电子,可以在紫外和X射线波段产生光谱特征,尽管强度极弱。在这方面,方陶陶教授和国际上一些其他团队在二十一世纪初做出了一系列卓有成效的工作。他们主要利用一些大型的空间望远镜比如美国宇航局的哈勃望远镜和钱德拉X射线望远镜,以及欧洲空间局的XMM-牛顿望远镜,进行了大量的空间紫外和X射线的观测。这些观测一般利用遥远的、极亮的星系做为背景源来研究位于前景的纤维状结构里失踪重所产生的吸收线。他们的早期工作证明的这个方法的有效性,并揭示了失踪重子存在的初始证据。

方陶陶教授重点评论了意大利国立天文研究所和美国哈佛-史密斯天体物理中心的Nicastro等人发表在《自然》杂志上最新工作(https://www.nature.com/articles/s41586-018-0204-1)。他们利用XMM-牛顿X射线望远镜观测名为1ES 1553+113的极亮蝎虎天体(BL Lacertae),累计观测时长175万秒(约20天)。这类天体由于位于其中心的超大质量黑洞及其活跃,在一段时间内会变得及其明亮,从而可以作为寻找前景吸收极好的背景源。

图二 来自意大利国立天文研究所和美国哈佛-史密斯天体物理中心的Nicastro等人的最新发现。他们利用XMM-牛顿X射线望远镜观测名为1ES 1553+113的极亮蝎虎天体,并在累加的光谱中找到红移分别为0.43(距离我们约78亿光年)和0.36(距离约63亿光年)氧离子的吸收线系统,从而认为找到了部分失踪重子的去向。

该工作的研究人员在累加的光谱中找到红移分别为0.43(距离我们约78亿光年)和0.36(距离约63亿光年)氧离子的吸收线系统,从而认为找到了部分失踪重子的去向。方陶陶教授指出,Nicastro等人工作的重要性在于其探测的统计显著性较以前有明显提高;而且在红移0.43处的吸收系统,氧离子处在不同能级处的两条吸收线同时探测到还是第一次。在光谱上同时找到一个离子的两条吸收线通常会提高对于该吸收线系统认证的置信度。

方陶陶教授也认为,该工作可能存在的不足之处。由于蝎虎天体1ES 1553+113的我们的距离并不十分明确,不能排除红移0.43处的吸收系统起源于该蝎虎天体自身的可能性。同时,这些吸收线系统也有可能起源于位于视线方向的个别星系,而不是位于星系外的纤维状结构。这些都有待于今后的观测进一步证实。

Nicastro等人的工作从观测的角度给出了失踪重子可能的位置,但是其累计时长达175万秒观测时间从侧面反映了寻找失踪重子的工作已经达到了人类现有望远镜的检测极限。在未来,正在筹备中的一些空间望远镜也许会测绘出完整的宇宙重子分布,从而全面解决失踪重子问题。在这方面,厦门大学也积极参与国内和国际合作以期在该领域取得突破。特别是由清华大学、厦门大学等高校及航天科技集团等研究所联合提出的 “宇宙热重子探寻望远镜”(Hot Universe Baryon Surveyor)已经被纳入国防科工局“发现极端宇宙”的空间科学三步曲战略部署,将有希望在寻找失踪重子方面取得重大进展。

(物理科学与技术学院)

责任编辑:黄伟彬

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