ESA的XMM-Newton揭示了星际材料缺失

天文学家已使用ESA的XMM-牛顿太空天文台（右下方）探测WHIM。白框封闭了代表WHIM一部分的热气的丝状结构。它基于一个超过2亿光年的宇宙学模拟。红色和橙色区域的密度最高，绿色区域的密度较低。这项发现是利用对遥远类星体的观测而做出的-一个超大质量的黑洞正在吞噬物质，并从X射线到无线电波发出明亮的光芒（左上方）。研究小组在视线和类星体之间的视线中的两个不同位置发现了WHIM中的氧气信号（在光谱的左下方显示了绿色和洋红色箭头）。蓝色箭头是我们银河系中氮的标志。插图和组成：ESA / ATG媒体实验室；数据：ESA / XMM-Newton / F.Nicastro等。2018;宇宙学模拟：普林斯顿大学/岑岳

经过近二十年的宇宙捉迷藏游戏之后，使用ESA的XMM-牛顿太空天文台的天文学家终于发现了热的，弥散性气体渗透到宇宙中的证据，弥合了“正常”物质总预算中令人费解的缺口在宇宙中。

虽然神秘的暗物质和暗能量分别约占我们宇宙的25％和70％，但构成我们所看到的一切（从恒星和星系到行星和人）的普通物质仅占约5％。

但是事实证明，即使是这百分之五也很难找到。

天文学家称之为重子的普通物质的总量，可以通过对宇宙微波背景的观测来估算，宇宙背景是宇宙历史上最古老的光，距宇宙大爆炸仅约38万年。

此p显示代表热-热星系间介质（WHIM）的一部分的热气的丝状结构。它基于超过2亿光年的模拟。红色和橙色区域的密度最高，绿色区域的密度较低。普林斯顿大学/岑岳

对非常遥远的星系的观测使天文学家可以在整个宇宙的前几十亿年中追踪该物质的演变。但是在那之后，似乎有一半以上不见了。

“缺少的重子代表了现代天体物理学中最大的谜团之一，”法布里佐·尼卡斯特罗（Fabrizio Nicastro）解释了该谜团的解决方案的第一作者解释说，该论文今天在《自然》杂志上发表。Nicastro来自意大利的INAF-Osservatorio Astronomico di Roma，以及位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛-史密森尼天体物理学中心（CfA）。

“我们知道这个问题一定存在，我们在早期的宇宙中就已经看到了，但是后来我们再也无法掌握它了。去哪了？”

计算整个宇宙中星系中恒星的数量，再加上渗透到星系中的星际气体（产生恒星的原材料），仅占所有普通物质的十分之一。在包含银河系的光环中加入热的扩散气体，再填充充满银河系团的更热的气体，这是由重力结合在一起的最大的宇宙结构，使存量增加到不足百分之二十。

这不足为奇：恒星，星系和星系团形成在宇宙网的最密集的结中，暗物质和普通物质的丝状分布遍布整个宇宙。这些地点虽然密集，但也很少见，因此并不是寻找大多数宇宙物质的最佳地点。

神秘的暗物质和暗能量分别占我们宇宙的25％和70％，而构成我们所看到的一切（包括星系，恒星和行星）的普通物质仅占大约5％。但是，整个星系中的恒星仅占所有普通物质的约7％，而渗透到星系和星系团中的冷热星际气体仅占约11％。宇宙的大多数普通物质或重子都潜伏在宇宙网中，暗物质和普通物质的丝状分布遍布整个宇宙。过去，天文学家能够找到该银河系间物质的凉爽和温暖部分的大部分（总计约占所有重子的43％）。现在，天文学家已经使用ESA的XMM-牛顿太空天文台沿着类星体的视线检测了这种星际物质的热成分。这些观测中发现的热星际气体的量高达宇宙中所有重子的40％，弥合了宇宙中普通物质总预算中的差距。欧空局

天文学家怀疑，“缺失的”重子必定潜伏在宇宙网中无处不在的细丝中，然而物质密度较小，因此观察起来更具挑战性。多年来，通过使用不同的技术，他们能够找到很大一部分这种星际物质（主要是其凉爽和温暖的成分），使总预算达到了可观的60％，但总的谜团仍未解决。

自从ESA的XMM牛顿X射线观测站和NASA的Chandra X射线观测站等X射线观测站进入科学界以来，Nicastro和世界各地的许多其他天文学家就一直在跟踪剩余的重子。

通过观察电磁频谱的这一部分，他们可以检测到温度约为一百万度甚至更高的高温星系间气体，该气体阻挡了甚至更遥远的源发出的X射线。

对于这个项目，Nicastro及其合作者使用XMM-Newton来观察类星体-一个巨大的星系，其中心有一个超大质量的黑洞，它正在吞噬物质并从X射线到无线电波发出明亮的光芒。他们观测了这颗类星体，这是类天体的光，在长达40天的时间里，到达我们的时间总计为18天，在2015年至2017年之间，这是有史以来对此类源进行的最长的X射线观察。

尼卡斯特罗说：“在对数据进行梳理后，我们成功地发现了我们和遥远的类星体之间在我们与遥远的类星体之间的炽热星际气体中的氧气特征。”

“之所以发生这种情况，是因为那里藏有巨大的物质储集层，其中包括氧气，而且储藏量正好达到我们的预期，因此我们最终可以弥合宇宙中重子预算的缺口。”

这一非凡的结果是新任务的开始。需要对天空中的不同来源进行观测，以确认这些发现是否真正具有普遍性，并进一步调查这一长期寻求的问题的物理状态。

Fabrizio和他的同事们计划在未来几年中与XMM-Newton和Chandra一起研究更多的类星体。为了全面探索这种所谓的高温热星际介质的分布和特性，将需要更敏感的仪器，例如计划于2028年发射的ESA的雅典娜（高能天体物理高级望远镜）。

“利用XMM-Newton发现缺失的重子是全面表征发现这些重子的情况和结构的令人振奋的第一步，”荷兰太空研究所的合著者Jelle Kaastra说。

“下一步，我们将需要更高的雅典娜敏感性，这是对银热星际介质的研究的主要目标之一，以增进我们对宇宙历史中结构增长的理解。”

“ XMM-Newton能够发现这种长时间难以捉摸的物质的微弱信号，这使我们感到非常自豪，这种物质隐藏在百万度的热雾中，该雾一直延伸到星系间空间数十万光年，” XMM的诺伯特·沙特尔（Norbert Schartel）说道。 -ESA的牛顿项目科学家。

“现在我们知道这些重子不再存在了，我们迫不及待地要详细研究它们。”

出版物：F. Nicastro等人，“在热-热的银河系中间介质中观察缺失的重子，”自然卷558，第406-409页（2018）