那些消失的物质

在标准宇宙学模型中，物质可以分成暗物质和重子物质两种。重子物质所占的质量比例是描述宇宙学模型时的一个重要参数。以目前对宇宙的了解，暗物质大约占五分之四，重子物质只占大约五分之一。虽然比例少，但是重子物质是我们观察宇宙结构的最重要的手段之一，我们从宇宙中接收到的光全部来自于重子物质。重子物质和暗物质通过引力作用相互影响，因此它们在空间上的分布也相互关联。我们可以间接通过重子物质的分布推测出宇宙中所有物质分布是什么样的结构。  

宇宙中的可见光大部分来自星系和星系团中的恒星。可是恒星只是宇宙中很小一部分质量，星系团中的所有恒星加起来大约只占宇宙中重子物质总质量的10%。除了恒星之外，星系和星系团中还有大量的气体。相比于我们仰望星空的祖先们，我们已经学会了通过更多波段研究宇宙。观测者们可以通过中性氢在射电波段的辐射来测量星系盘上的冷气体（即温度低于1万开尔文的气体）。温度更高的气体因为密度很低，测量起来有难度，一般可以通过氢和金属的吸收线估计气体的含量，不过这些测量方式需要背景中有一个类星体发光穿过气体才能被探测到，因此只能推测气体的密度而无法准确估计气体云团的总质量。通过数值模拟的方式，我们可以从现有观测数据推测出星系中真实的气体质量。  

然而，把所有星系中恒星、气体质量相加之后，依然只占宇宙中重子物质总量的一半左右。那么其他的物质藏在哪里呢？还是我们估计的重子物质的质量比例是错误的呢？最让人担心的是，我们广泛接受和应用的标准宇宙学模型错了吗？宇宙学数值模拟告诉我们，这些“消失的重子物质”很有可能藏在宇宙纤维里。    

图2：eROSITA望远镜绘制的宇宙“能量”分布图。图中可见分布于银河系盘面的尘埃和气体（蓝色），远离盘面的热气体（红色），银心中更高温的气体（绿色和黄色）以及数十万个X射线源（白色）。（Jeremy Sanders, Hermann Brunner， Eugene Churazov， Marat Gilfanov）  

eROSITA发力  

2019年7月13日，X射线望远镜eROSITA升空。这是一个俄罗斯和德国的联合项目，望远镜的主要科学目标之一就是通过探测星系团和宇宙纤维中的热气体，为宇宙的大尺度结构画像。  

星系团或者纤维中的热气体一般温度大约为1百万开尔文，密度却极低，每立方米大约只有10个粒子。如果觉得无法直观感受这个低密度，只需要想想我们的太阳系。太阳系位于银河系盘中，周围的气体密度比星系团中热气体的密度更高，但我们习惯于把地球大气层以外的地方都叫真空。  

想要观察这些极低密度的热气体，需要高灵敏度的探测器。eROSITA比之前的成像巡天望远镜灵敏度提高了至少二十倍。它不仅可以看到宇宙纤维中稀薄的热气体发出的X射线，也可以分辨出来自我们银河系中的热气体辐射对信号的污染。而且它的视场足够大，能够在一次探测中捕捉到天空中较大的区域，非常适合用来研究宇宙纤维这样庞大的结构。而且它分辨率也很高，能够提供更清晰的图像。因此，eROSITA可以帮助我们在相对较短的时间内看到巨大的纤维结构。  

使用eROSITA望远镜，波恩大学阿格兰德天文学研究所的托马斯·里普里奇教授和他的合作者们探测了艾贝尔3391和艾贝尔3395天体系统。这是三个星系团组成的巨大结构，距离我们大约7亿光年。有许多望远镜在其他光学波段观测过这个天体，因为缺少热气体的数据，之前的研究者们并不倾向于认为这是一个宇宙纤维结构。在eROSITA这次拍摄的图像中，不仅能看到星系团和许多独立的星系，也能清晰看到连接这些结构的气体纤维。整个纤维长约5千万光年，但它有可能比测量到的更大，研究者们认为这次的观测结果只揭示了这个巨大结构的一部分。