来自宇宙各处、被称为快速射电暴的神秘无线电波爆发，帮助天文学家编目物质。ESOM。科恩梅瑟，CCBYSA协议
如果你用望远镜望向太空，你会看到无数的星系，其中大多数星系都有巨大的中央黑洞、数十亿颗恒星以及围绕它们运行的行星。宇宙中充满了巨大而壮观的天体，似乎这些巨大的天体应该占据了宇宙中大部分的物质。
但大爆炸理论预测，宇宙中约5％的物质应该是由质子、中子和电子构成的原子。然而，大部分这类原子在恒星和星系中都找不到——这一差异让天文学家们困惑不已。
如果不在可见的恒星和星系中，物质最可能的藏身之处就是星系之间的黑暗空间。虽然太空常被称为真空，但它并非完全空无一物。单个粒子和原子散布在恒星与星系之间的整个空间中，形成一个被称为宇宙网的黑暗丝状网络。
在我作为天文学家的整个职业生涯中，我一直在研究这个宇宙网，我知道要解释遍布宇宙的物质有多困难。
在2025年6月发表的一项研究中，一组科学家使用了一种独特的无线电技术，完成了对宇宙中普通物质的普查。
正常物质的普查
寻找普通物质最明显的地方就是以恒星的形式存在之处。引力将恒星聚集形成星系，天文学家可以对整个可观测宇宙中的星系进行计数。
普查结果显示宇宙中有数千亿个星系，每个星系由数千亿颗恒星组成。这些数字并不确定，因为许多恒星隐藏在星系之外。据估计，宇宙中约有10²³颗恒星，这比地球上所有海滩上的沙粒数量还要多数百倍。宇宙中估计有10⁸²个原子。
然而，这个庞大的数字远远不足以解释大爆炸理论所预测的所有物质。仔细计算表明，恒星仅占宇宙物质的0。5％。据推测，太空中自由漂浮的原子数量是恒星中原子数量的10倍。只有0。03％的物质是除氢和氦之外的元素，包括碳以及生命的所有构成要素。
在星系之间观察
星系际介质——星系之间的空间——几乎是完全真空的，密度为每立方米一个原子，或者说每35立方英尺一个原子。这不到地球空气密度的十亿亿分之一。考虑到宇宙直径达920亿光年的巨大规模，即使在如此低的密度下，这种弥漫介质的总质量也相当可观。
星系际介质温度极高，可达数百万摄氏度。这使得它很难被观测到，除非使用X射线望远镜，因为极热的气体以极短的X射线波长向宇宙辐射。X射线望远镜的灵敏度有限，因为它们比大多数光学望远镜小。
部署一个新工具
天文学家最近使用一种新工具解决了这个失踪物质的问题。快速射电暴是强烈的射电爆发，其在一毫秒内释放的能量相当于太阳三天释放的能量。快速射电暴于2007年首次被发现，科学家发现这些爆发是由遥远星系中的致密恒星残骸引发的。当这些爆发穿越太空时，其能量会逐渐消散，等能量到达地球时，其强度比在月球上发射、在地球上检测到的手机信号还要弱一千倍。
2025年初的研究表明，这些爆发的源头是一颗超致密中子星周围的高磁区域。中子星是大质量恒星在超新星爆发后因自身引力坍缩形成的密度极高的残骸。发射射电爆发的特定类型中子星被称为磁星，其磁场强度是地球磁场的千万亿倍。
磁星是一种罕见的中子星，具有极强的磁场。欧洲南方天文台L卡尔萨达，CCBYND（知识共享署名禁止演绎协议）
尽管天文学家尚未完全了解快速射电暴，但他们可以利用这些射电暴来探测星系之间的空间。当射电暴穿越太空时，它们与炽热的星系际气体中的电子相互作用，这种相互作用会使较长的波长优先减速。射电信号会像棱镜将太阳光分解成彩虹一样被展宽。天文学家根据信号展宽的程度来计算射电暴在到达地球的途中经过了多少气体。
谜题已解开
在2025年6月发表的这项新研究中，来自加州理工学院和哈佛天体物理中心的一组天文学家利用加利福尼亚州的110座射电望远镜阵列研究了69次快速射电暴。该团队发现，宇宙中76％的正常物质存在于星系之间的空间，另有15％存在于星系晕——即星系中可见恒星周围的区域——剩下的9％则存在于星系内的恒星和冷气体中。
宇宙中正常物质的完整核算为大爆炸理论提供了有力的证实。该理论预测了宇宙最初几分钟形成的正常物质的丰度，因此通过验证出预测的5％，该理论通过了一项关键测试。
已经观测到了数千个快速射电暴，而即将建成的射电望远镜阵列可能会将发现率提升至每年10000个。如此庞大的样本将使快速射电暴成为宇宙学研究的有力工具。宇宙学是研究宇宙的大小、形状和演化的学科。射电暴不仅可以用于原子计数，还能绘制宇宙网的三维结构。
宇宙饼状图
科学家现在或许已经完全了解普通物质的分布情况，但宇宙的大部分仍然由他们尚未完全理解的物质构成。
宇宙中最丰富的成分是暗物质和暗能量，两者都鲜为人知。暗能量正在导致宇宙加速膨胀，而暗物质是维系星系和宇宙的无形胶水。
尽管物理学家对暗物质知之甚少，但它却占据了宇宙约27％的组成部分。 视觉资本家科学图片库，盖蒂图片社供图
暗物质可能是一种此前未被研究过的基本粒子，它不属于粒子物理学标准模型的范畴。物理学家尚未能够探测到这种新奇的粒子，但我们知道它是存在的，因为根据广义相对论，质量会使光线弯曲，而且我们观测到的引力透镜效应远远超出了可见物质所能解释的程度。通过引力透镜效应，星系团会使光线发生弯曲和放大，这与光学透镜的原理类似。暗物质的质量超过了常规物质的五倍多。
一个谜团或许已经解开，但更大的谜团依然存在。尽管暗物质仍是个谜，但如今我们对构成我们人类自身以及周围世界的普通原子已经有了很多了解。
相关知识
星体通常指恒星、行星、卫星、彗星等各类独立天体，而星系是由数十亿至数千亿颗恒星、星际气体、尘埃及暗物质等，依靠引力相互束缚形成的庞大天体系统。银河系是我们所处的星系，其中包含太阳这类恒星，以及围绕恒星运行的行星、卫星等星体，它们共同构成了宇宙中层次分明的天体结构。
翻译：AI
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