宇宙中的大多數正常物質在行星、恆星或星系中都沒有發現——天文學家解釋了它的擴散位置

本文最初發表於 對話。 該出版物為 Space.com 上的文章做出了貢獻 專家之聲：專欄與見解。

如果你用望遠鏡觀察太空，你會看到無數的星系，其中大多數都有很大的中心黑洞數十億顆恆星及其伴星。宇宙中充滿了巨大而壯觀的物體，這些巨大的物體似乎應該容納宇宙中的大部分物質。

但要大爆炸理論預測宇宙中約5%的內容必定是由質子、中子和電子組成的原子。大多數這些原子在恆星和星系中都找不到——這一差異讓天文學家感到困惑。

如果不是在可見的恆星和星系中，物質最有可能隱藏的地方就是星系之間的黑暗空間。雖然太空通常被稱為真空，但它並不是完全空的。單個粒子和原子散佈在恆星和星系之間的空間中，形成一個黑暗的絲狀網絡，稱為“宇宙網”。

一直我的天文學家生涯我研究過這個宇宙網，知道計算分佈在太空中的物質是多麼困難。

在 2025 年 6 月發表的一項研究中，一組科學家使用一種獨特的無線電技術完成了宇宙中正常物質的記錄。

將星星聚集成星系天文學家可以計算整個可觀測宇宙中的星系。

記錄它存在於數千億個星系中，每個星係由數千億顆恆星組成。這些數字不確定，因為許多恆星仍然隱藏星系外。大約是10個²³ 宇宙中恆星數量的數百倍沙粒在地球上所有的海灘上。估計有 10⁸² 宇宙中的原子。

然而，這個非凡的數字還遠遠不能解釋大爆炸所預言的所有物質。精打細算表明恆星只含有宇宙物質的0.5%。假設在太空中自由漂浮的原子數量是其十倍。只佔了0.03%的問題氫、氦以外的元素包括碳和所有生命的組成部分。

宇宙網是我們宇宙的支撐結構。（圖片來源：RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA/J. Pinto，CC BY 4.0）

星際介質 – 星系之間的空間 – 幾乎完全真空，密度為每立方米一個原子，或每 35 立方英尺一個原子。這還不到空氣密度的十億分之一地球。即使在如此低的密度下，這種擴散介質考慮到 920 億光年，增加了很多物質宇宙的直徑。

星系際介質是非常熱溫度高達數百萬度。這使得很難觀察，除非 X射線望遠鏡當非常熱的氣體在宇宙中輻射時 X射線波長非常短。 X 射線望遠鏡的靈敏度有限，因為它們比大多數光學望遠鏡都要小。

天文學家最近使用一種新工具來解決物質缺失的問題。快速射電暴是強烈的無線電波爆發，一毫秒內發射的能量相當於太陽三天內發射的能量。科學家於 2007 年首次發現，爆炸是由遙遠星系中恆星的緻密殘餘物引起的。當爆炸穿過太空時，它們的能量就會減弱，當能量到達地球時，它的信號強度比向月球發射然後在地球上檢測到的手機信號弱一千倍。

2025 年初的研究表明爆炸的來源是超緊湊中子星周圍的強磁性區域。中子星是超新星爆炸後在自身重力作用下塌縮的大質量恆星的極其緻密的殘餘物。發射射電爆發的特殊類型中子星是它被稱為磁星其磁場比地球強一千萬億倍。

儘管天文學家並不完全了解快速射電暴，但他們可以用它們來調查星系之間的空間。當爆發穿過太空時，與熱星際氣體中的電子的相互作用優先減慢較長的波長。無線電信號擴散開來，類似於棱鏡如何將陽光變成彩虹。天文學家利用擴散量來計算爆炸在到達地球的途中經過了多少氣體。

新研究該研究發表於 2025 年 6 月，來自加州理工學院和哈佛天體物理中心的天文學家團隊使用加利福尼亞州的 110 個射電望遠鏡陣列研究了 69 個快速射電爆發。團隊找到了他宇宙中76%的正常物質它位於星系之間的空間，另外 15% 銀河暈 – 星系中可見恆星周圍的區域 – 其餘 9% 是恆星和星系內的冷氣體。

對宇宙中正常物質的完整描述為大爆炸理論提供了有力的證實。該理論預測豐富的正常物質形成於宇宙誕生的最初幾分鐘，因此通過恢復預測的 5%，該理論通過了關鍵測試。

已經觀察到數千個快速射電暴，其中一個下一組射電望遠鏡可能會將檢測率提高到每年 10,000 例。如此大的樣本將使快速射電爆發變得強大宇宙學工具。宇宙學它是對宇宙的大小、形狀和演化的研究。射電爆發的作用不僅僅局限於原子計數三維結構圖宇宙網。

顯示宇宙物質能量收支的餅圖