天文学家在遥远的银河系光环范围内发现失踪的重子

研究人员将宇宙最早的光--一种被称为宇宙微波背景(CMB)的宇宙形成的遗迹--引导到解开一个缺失物质之谜，并了解到关于星系形成的物质。他们的工作还可以帮助我们更好地理解暗能量，并通过提供关于星系向我们移动或远离我们的速度的新细节来检验爱因斯坦的广义相对论。

不可见的暗物质和暗能量约占宇宙总质量和能量的95%，而被认为是普通物质的5%中的大部分也基本上是看不见的，比如星系外围的气体，构成了它们所谓的光环。这些普通物质中的大部分是由中子和质子组成的--这些粒子被称为双子，存在于氢和氦等原子核中。只有大约10%的重子物质是以恒星的形式存在的，其余的大部分以热的、分散的物质链的形式存在于星系之间的空间，这些物质被称为暖热的星系间介质，或WHIM。

由于双子在空间中如此分散，科学家们一直很难清楚地了解它们在星系周围的位置和密度。由于这种对普通物质居住地的不完整描述，宇宙中的大部分双子都可以被认为是 "失踪"的。

现在，一个国际研究团队在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和康奈尔大学物理学家的关键贡献下，通过提供迄今为止最好的星系群周围的位置和密度测量，绘制了这些失踪的重子的位置。

事实证明，这些重子确实存留于星系光环中，而且这些光环比流行的模型所预测的要延伸得更远。虽然单个星系的大部分恒星通常包含在距离星系中心约10万光年的区域内，但这些测量结果显示，对于一个给定的星系群来说，最遥远的双子可以从其中心延伸约600万光年。

矛盾的是，这种缺失的物质比暗物质更具有挑战性，我们可以通过其对正常物质的引力效应间接观察到暗物质。暗物质是未知的东西，约占宇宙的27%；而暗能量，正以加速的速度推动宇宙中的物质分离，约占宇宙的68%。

"普通物质中只有百分之几是以恒星的形式存在。大部分是以气体的形式存在，这些气体一般太微弱、太弥漫，无法被探测到。"伯克利实验室物理学部的张伯伦博士后研究员Emmanuel Schaan说，他是两篇关于失踪的双子的论文之一的主要作者，于2021年3月15日发表在《物理评论D》杂志上。

研究人员利用一种被称为Sunyaev-Zel'dovich效应的过程，解释了CMB电子在与星系团周围的热气体相互作用时如何通过散射过程获得能量提升。

"这是一个超越星系位置和星系速度的好机会，"参与这两项研究的伯克利实验室物理学部的师级研究员Simone Ferraro说。"我们的测量包含了很多关于这些星系移动速度的宇宙学信息。它将补充其他天文台的测量结果，并使其更加有说服力，"他说。

康奈尔大学的一个研究小组，由Stefania Amodeo助理教授、Nicholas Battaglia教授和研究生Emily Moser领导了建模和测量结果的解释，并探讨了它们对弱引力透镜和星系形成的后果。

研究人员开发的计算机算法应该被证明对分析未来实验中高精度的 "弱透镜"数据是有用的。当星系和星系团等巨大天体在某一特定的站点线上大致对齐时，就会出现透镜现象，这样引力扭曲实际上会使来自更远天体的光线弯曲和扭曲。

弱透镜是科学家用来理解宇宙起源和演化的主要技术之一，包括研究暗物质和暗能量。 学习双子物质的位置和分布，使这些数据触手可及。

"这些测量结果对弱透镜有着深远的影响，我们期望这项技术能够非常有效地校准未来的弱透镜调查，"费拉罗说。

Schaan指出："我们还得到了与星系形成相关的信息。"

在最新的研究中，研究人员依靠来自新墨西哥州的地面Baryon Oscillation Spectroscopic Survey(BOSS)的星系数据集，以及来自智利阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT)和欧洲航天局的天基普朗克望远镜的CMB数据。伯克利实验室在BOSS测绘工作中发挥了主导作用，并为NERSC的Planck数据处理开发了必要的计算架构。

他们创建的算法得益于使用伯克利实验室由DOE资助的国家能源研究科学计算中心（NERSC）的Cori超级计算机进行分析。算法对电子进行计数，使他们能够忽略气体的化学成分。

"这就像银行票据上的水印，"Schaan解释说。"如果你把它放在背光前，那么水印就会出现阴影。对我们来说，背光就是宇宙微波背景。它的作用是从后面照亮气体，所以当CMB光穿过该气体时，我们可以看到阴影。"

费拉罗说："这是第一个真正高意义的测量，真正确定了气体的位置。"

研究人员创建的 "ThumbStack"软件提供的星系光环新图景：巨大的、模糊的球形区域远远延伸到星光区域之外。这款软件能够有效地绘制这些光环，即使是对于那些低质量光环的星系群，以及那些正在快速远离我们的星系（被称为 "高红移 "星系）。

应从光环绘图工具中受益的新实验包括暗能量光谱仪、维拉-鲁宾天文台、南希-格雷斯-罗马空间望远镜和欧几里得空间望远镜。