宇宙中长期下落不明的氢气有一半已经被发现

一位艺术家对银河系（中心）和两个卫星星系——大麦哲伦星云和小麦哲伦云团周围的热氢气晕的描绘。光环的范围比天文学家最初认为的更广，并且含有足够的氢气来解决宇宙中缺失重子质量的问题。图片来源：uux.cn/NASA/CXC/M.Weis；美国国家航空航天局/CXC/俄亥俄州立大学/A Gupta等人

（神秘的地球uux.cn）据加州大学伯克利分校（罗伯特·桑德斯）：天文学家统计了当今宇宙中所有正常物质——恒星、星系和气体——得出的结果与136亿年前大爆炸中产生的总物质少得令人尴尬。事实上，超过一半的正常物质——宇宙中15%的非暗物质物质中的一半——无法在我们看到的发光恒星和气体中得到解释。

然而，新的测量结果似乎发现，这种缺失的物质是以非常扩散和不可见的电离氢气的形式存在的，它在星系周围形成了一个光环，比天文学家想象的更膨胀、更广泛。

研究小组发现，这些发现不仅缓解了天文观测与大爆炸以来宇宙演化的最佳、经过验证的模型之间的冲突，还表明星系中心的大质量黑洞比以前认为的更活跃，其喷出的气体距离星系中心比预期的要远得多，大约是预期的五倍。

“我们认为，一旦我们远离银河系，我们就会恢复所有缺失的气体，”加州大学伯克利分校米勒博士后研究员、一篇报告这一发现的论文的第一作者Boryana Hadzhiyska说。“为了更准确地说，我们必须对模拟进行仔细的分析，这是我们没有做过的。我们想做一项仔细的工作。”

她的同事Simone Ferraro是劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的高级科学家，她在三年前发表的分析中看到了这种广泛的电离氢晕的迹象。

这项研究的结果由来自世界各地机构的75名科学家共同撰写，已在最近的科学会议上公布，并作为预印本发布在arXiv上，目前正在《物理评论快报》杂志上进行同行评审。Hadzhiyska和Ferraro是加州大学伯克利分校物理系伯克利宇宙物理中心以及伯克利实验室的研究人员。

为了探测非常明亮的红色星系周围电离氢气的微弱信号，研究人员将100多万个星系的图像叠加在一起。这四个帧是距离地球不同距离的星系堆叠，仅显示了受电子散射影响的电磁频率范围（运动学Sunyaev-Zel'dovich效应）。蓝色和绿色代表宇宙微波背景辐射中微小的温度波动。黄色中心表示CMB光被围绕这些星系的广泛氢气包层散射。在可见光下，星系将在黄色斑块的中心显示为几个像素。图片来源：uux.cn/Boryana Hadzhiyska和Simone Ferraro，来自DESI和ACT的数据；Hadzhiyska等人

虽然仍然神秘的暗物质占宇宙中物质的大部分（约84%），但其余的都是正常物质。在星系和连接星系的细丝中，只有大约7%的正常物质是以恒星的形式存在的，而其余的则是以不可见的氢气的形式存在，其中大部分是电离的。

在这个细丝网络中串出的电离气体和相关电子被称为温热的星系间介质，这种介质太冷、太分散，天文学家无法用通常的技术看到，因此直到现在仍然难以捉摸。

在这篇新论文中，研究人员通过叠加大约700万个星系的图像来估计电离氢在星系周围的分布，这些星系都在距离地球约80亿光年的范围内，并测量电离气体中电子散射辐射引起的宇宙微波背景的轻微变暗或变亮，即所谓的运动学Sunyaev-Zel'dovich效应。

费拉罗说：“宇宙微波背景位于我们在宇宙中看到的一切的背后。它是可观测宇宙的边缘。”。“所以你可以用它作为背光来查看气体的位置。”

使用的星系图像——所有发光的红色星系——都是由亚利桑那州图森市基特峰国家天文台的Mayall 4米望远镜上的暗能量光谱仪（DESI）收集的。该仪器由总部位于伯克利实验室的一个合作机构建造，正在调查数千万个星系和类星体，以构建一张从地球到110亿光年的宇宙3D地图，以测量暗能量对宇宙膨胀的影响。

智利的阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）对这些星系周围的宇宙微波背景（CMB）进行了测量，该望远镜在2022年退役之前对CMB进行了迄今为止最准确的测量。

该分析是与斯坦福大学研究生Bernardita Ried Guachalla合作完成的；曼洛帕克SLAC国家加速器实验室的科学家Emmanuel Schaan；以及DESI和ACT团队。

阿塔卡马宇宙学望远镜获得的宇宙微波背景辐射图。这两个圆圈突出了电离氢气散射辐射的点，留下了一个可用于估计星系周围气体量的特征。来源：uux.cn/ACT；宇宙学和天体粒子物理学杂志（2017）。DOI:10.1088/1475-7516/2017/06/031

天文学家普遍认为，星系中心的大质量黑洞只有在形成期才会以物质射流的形式排出气体，当时中心黑洞正在吞噬气体和恒星并产生大量辐射。这使得它们作为天文学家所说的活动星系核（AGN）或类星体脱颖而出。

如果，正如这项新研究所表明的那样，星系周围的电离氢晕比想象的更分散，但也更广泛，这意味着中心黑洞实际上可能在生命的其他时候变得活跃。

Hadzhiyska说：“我们不了解的一个问题是AGN，其中一个假设是它们在所谓的占空比中偶尔会打开和关闭。”。

天文学家将气体的排出及其随后回落到星系盘中称为调节整个星系中新恒星形成的反馈。Ferraro、Schaan和他们的同事在2020年的先前工作中报告了更多扩展反馈的迹象，当时Schaan是伯克利实验室的博士后。

但这项新工作纳入了更多的星系，并产生了更精确的测量结果。Ried Guachalla随后的工作证实了DESI光谱样本的发现，并能够研究更附近星系中的气体，强调气体不是均匀分布在它们周围，而是沿着渗透宇宙的“宇宙细丝”分布。

Hadzhiyska指出，目前对星系演化的模拟需要将这种更有力的反馈纳入他们的模型中。一些新模型已经在这样做，以产生与新数据更一致的更强模拟。

宇宙中缺失物质或重子的识别也对宇宙演化的其他方面产生了影响。

费拉罗说：“知道气体在哪里已经成为试图从当前和未来的调查中获得宇宙学的最严重的限制因素之一。我们有点碰到了这堵墙，现在是解决这些问题的合适时机。”。“一旦你知道气体在哪里，你就可以问，‘宇宙问题的后果是什么？’”

DESI合作制作了迄今为止最大的宇宙3D地图，并将其用于研究暗能量。在这个可视化中，地球处于中心，每个点都是一个星系。来源：uux.cn/DESI合作和KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R.Proctor

Hadzhiyska说，首先，气体从这些大质量星系的核心排出，挑战了气体跟随暗物质的假设。低估这种气体排出可能会给宇宙学模型带来不一致，而新的结果实际上可能会解决一些关于宇宙有多结块的问题。

她说：“有很多人有兴趣使用我们的测量结果进行非常彻底的分析，包括这种气体。”。“天文学界的人非常关心它，以了解星系的形成和演化。”

Hadzhiyska说，该团队使用的运动学Sunyaev-Zel'dovich效应技术也可用于探测早期宇宙。这可以深入了解宇宙的大尺度结构和早期宇宙的物理定律，并使科学家能够测试引力和广义相对论。