普通物质都在星系里？不——天文学家告诉你真实藏身之处

宇宙普通物质大揭秘：它们不在行星、恒星或星系里，究竟在哪？

行星、恒星、星系之外？宇宙中大部分普通物质到底在哪儿

宇宙中绝大多数普通物质不存在于行星、恒星或星系中——天文学家解释其分布

普通物质都在星系里？不——天文学家告诉你真实藏身之处

虽然太空常被称为真空，但并非完全真空。

旋涡星系中心集中暗物质的图例（图片来源：Robert Lea（使用Canva制作））

若你用望远镜观察太空，你将看到无数的星系，其中绝大多数都拥有大型中心黑洞、数十亿颗恒星及其伴生行星。宇宙中充斥着大型、壮观的天体，这些巨型天体似乎应当包含绝大部分的宇宙物质。

但大爆炸理论预测，宇宙中约5%的物质应是由质子、中子和电子构成的原子组成。绝大部分原子都不能在恒星和星系中找到——这一矛盾现象长期困扰着天文学家。

若不在可见的恒星与星系中，物质最可能的藏身之处便是星系间的黑暗空间。尽管太空常被称为真空，它并非完全空旷。一个个粒子和原子散布于恒星与星系之间的空间，形成一个被称为“宇宙网”的暗丝状网络。

在我的天文学家职业生涯中，我一直在研究这个宇宙网，并深知要解释广泛分布在太空中的物质有多么困难。

在2025年6月公布的一项研究中，一个科学家团队采用一种独特的射电技术来完成对宇宙中正常物质的普查。

普通物质的“人口普查”，物质总量知多少

寻找正常物质最直观的场所当属恒星。引力作用将恒星聚集起来形成星系，而天文学家们在可观测宇宙中统计出大量星系。

根据最新统计，宇宙中存在数百亿个星系，每个星系又包含数百亿颗恒星。由于大量恒星隐藏在星系之外，这些数据仍存在不确定性。据估算，宇宙中约有10²³颗恒星，相当于地球上所有海滩沙粒总数的数百倍。此外，宇宙中估计有1082个原子。

然而，这一惊人数值仍远不足以解释大爆炸理论预测的所有物质总量。精确统计表明，恒星仅包含宇宙中0.5%的物质。据推测，另有十倍以上数量的原子在太空中自由漂浮。只有0.03%的物质是除氢和氦之外的其他元素（包括碳及所有生命的基本组成单元）。

宇宙网是我们宇宙的基本结构。（图片来源：RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA/J. Pinto，CC BY 4.0）

星系间的“无人区”藏着什么大秘密？！

星系际介质（即星系之间的空间）几乎完全真空，其密度为每立方米一个原子，或每35立方英尺一个原子。这一数值甚至不足地球大气密度的十亿亿分之一。尽管密度极低，考虑到宇宙尺度达到惊人的920亿光年，这种弥散介质仍累积形成了大量物质。

星系际介质温度极高，可达数百万摄氏度。由于极高温气体会以极短的X射线波长向宇宙空间辐射，除X射线望远镜外难以对它进行观测。但X射线望远镜因其体积小于大多数光学望远镜，灵敏度有限。

部署新工具，捕捉宇宙信号

天文学家最近用一种新工具来破解这个谜题。快速射电暴是强度惊人的无线电波爆发现象，其在毫秒内释放的能量相当于太阳三天的辐射总量。2007年，科学家首次发现这些射电暴其实源自遥远星系中的致密星残骸。它们的能量在穿越太空时逐渐衰减，当抵达地球时，其信号比从月球发射的手机信号抵达地球时的强度低一千倍。

2025年初的研究表明，这些射电暴的源头是超致密中子星周围的强磁场区域。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极高密度残骸。能够发射射电暴的中子星被称为磁陀星，其磁场强度比地球磁场强千万亿倍。

尽管天文学家尚未完全摸清快速射电暴，他们利用该现象探索了星系间的空间。当射电暴在太空中传播时，与星系际高温气体中电子的相互作用会优先减缓长波长信号。这种射电信号的展宽，好比棱镜将阳光折射成彩虹。天文学家根据信号展宽程度计算出射电暴抵达地球的途中穿过多少气体。

谜题得解，普通物质现真身

在2025年6月新公布的研究里，加州理工学院与哈佛天体物理中心的天文学家团队利用加州110台射电望远镜阵列，对69次快速射电暴进行观测分析。团队发现：宇宙中76%的正常物质存在于星系间的空间，另有15%存在于星系晕（即星系内可见恒星周围的区域），剩余9%则存在于星系内部的恒星及冷气体中。

宇宙中正常物质的完整统计结果为大爆炸理论提供了强有力的佐证。该理论预测了宇宙诞生之初的几分钟内形成的正常物质的丰度，所以当统计结果恰为预测中的“5%”时，该理论通过了关键检验。

目前被观测到的快速射电暴已达数千次，而即将建成的射电望远镜阵列有望将年发现率提升至1万次。如此庞大的样本量将使快速射电暴成为宇宙学研究的强有力工具。宇宙学是研究宇宙规模、形态及演化过程的学科，射电暴的应用范围可超越原子计数，延伸至绘制宇宙网的三维结构。

宇宙物质-能量收支饼图（图片来源：Robert Lea（使用Canva制作））

一张饼图说清宇宙构成

也许科学家们现在能完全掌握正常物质的分布，但宇宙中大部分区域仍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，但关于这两者，我们所知甚少。暗能量导致宇宙加速膨胀，而暗物质则是维系星系与宇宙结构的无形纽带。

暗物质可能是一种尚未被研究的基本粒子，不属于标准粒子物理模型。虽然物理学家至今未能探测到这种新型粒子，但我们确信其存在——根据广义相对论，质量会弯曲光线，而观测到的引力透镜远超可见物质所能解释的范围。通过引力透镜，星系团会像光学透镜般弯曲并放大光线。暗物质的质量比常规物质的五倍还多。

一个谜团或许得以解开，但更大的谜团依然存在。尽管暗物质仍充满神秘色彩，我们现已对构成人类及周围世界的普通原子有了深入了解。

克里斯·因佩（Chris Impey）是亚利桑那大学天文学杰出教授，其研究领域涵盖观测宇宙学、星系及类星体。作为一位资深天文学家，他热衷于宇宙学领域的研究、著述与教学工作，已发表大量学术论文、编写多部科学书籍，并荣获多项教学奖项。此外，他还是天文学习工具Teach Astronomy的开发者。

BY:Chris Impey

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