空間科學(xué)研究方向介紹：尋找失蹤的重子物質(zhì)

這里，我們將以科學(xué)問題“尋找失蹤的重子物質(zhì)”為例來(lái)介紹一個(gè)我國(guó)的空間科學(xué)研究方向。

如前所述，我們?cè)谟钪嬷心軌蛴^測(cè)到的普通物質(zhì)總量（泛稱為“重子物質(zhì)”）只占總量的5%左右。這是基于我們對(duì)于早期宇宙的一系列觀測(cè)所得出的結(jié)論。這些觀測(cè)包括宇宙大爆炸后的核合成、宇宙微波背景輻射，以及對(duì)于早期宇宙的所謂萊曼森林吸收線（存在于星系際介質(zhì)內(nèi)的中性氫在遙遠(yuǎn)類星體的光譜上所產(chǎn)生的吸收線）觀測(cè)。

然而，在1998年的一篇經(jīng)典論文里，美國(guó)普林斯頓高等學(xué)術(shù)研究所和日本東京大學(xué)的Fukugita以及Hogan和Peebles發(fā)現(xiàn)，將所有能觀測(cè)到的重子物質(zhì)加在一起，所觀測(cè)的重子物質(zhì)只有早期宇宙的一半左右⑤。這就是著名的“失蹤的重子”問題，也是在最近一二十年國(guó)際天文的研究熱點(diǎn)之一。

近年來(lái)，一系列的理論研究和數(shù)值模擬計(jì)算表明，除了少部分組成星系和星系團(tuán)介質(zhì)的重子，絕大多數(shù)宇宙中的重子存在于星系際介質(zhì)中。星系際介質(zhì)追蹤了冷暗物質(zhì)的大尺度結(jié)構(gòu)，是星系、恒星、行星，以及最終所有生命的形成的最原始材料。

在早期宇宙中，星系際介質(zhì)分布比較均勻；隨著時(shí)間的演化，形成了大尺度結(jié)構(gòu)的“宇宙網(wǎng)”（Cosmic Web）。由細(xì)條狀結(jié)構(gòu)的引力塌縮所釋放的能量將氣體加熱到比較高的溫度（從幾十萬(wàn)度到幾千萬(wàn)度）。原來(lái)在早期宇宙里占重子主導(dǎo)的萊曼森林線迅速變薄，星系際介質(zhì)中的熱成分變得重要起來(lái)。在紅移為零處有30%～50%的星系際介質(zhì)是高溫的，略少些的（大概30%～40%）存留在被光致電離的萊曼吸收線叢氣體中。在如此高溫下，氣體的輻射性質(zhì)決定了這些物質(zhì)只可能在紫外和X射線波段被觀測(cè)到，由此也決定了探測(cè)失蹤的重子物質(zhì)只可能由空間望遠(yuǎn)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。

另外一個(gè)失蹤的重子問題存在于較小的、星系的尺度上，又稱為“失蹤的星系重子”問題。

在過(guò)去三十年中，由標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)常數(shù)加冷暗物質(zhì)模型框架下構(gòu)建的星系演化理論取得了極大的成功。它很好地解釋了諸如星系光度函數(shù)演化等問題。在這個(gè)模型下，大尺度結(jié)構(gòu)呈等級(jí)式成團(tuán)演化（hierarchical structure formation），在成團(tuán)（clustering）的每一個(gè)階段，暗物質(zhì)會(huì)首先塌縮形成暈（halo）結(jié)構(gòu)，被暗物質(zhì)暈引力勢(shì)場(chǎng)所約束的氣體會(huì)隨后收縮、冷卻，形成星系、恒星等結(jié)構(gòu)。可是，隨著最新觀測(cè)的發(fā)展，這個(gè)理論也面臨著一系列嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。其中最重要的問題之一就是“過(guò)度冷卻”（over-cooling）。

在最早、也是目前標(biāo)準(zhǔn)的星系模型預(yù)言中，從星系際介質(zhì)中吸積的氣體被激波加熱后會(huì)迅速冷卻，形成可觀測(cè)的恒星以及星際介質(zhì)等物資?？墒钱?dāng)前對(duì)銀河系及鄰近星系的觀測(cè)表明，這些可探測(cè)的物質(zhì)最多只有星系模型預(yù)言的一半，構(gòu)成了所謂的“過(guò)度冷卻”。這個(gè)模型同時(shí)也過(guò)高預(yù)言了星系的X射線光度。搜尋這些“失蹤”的氣體是當(dāng)前星系演化研究最前沿的課題之一。因?yàn)檫@些氣體主要是由重子組成，所以又稱之為“失蹤的星系重子之謎”。

一種有可能的解決方案是在星系形成和演化過(guò)程中，獲得星系核反饋或恒星反饋?zhàn)饔脮?huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的星系風(fēng)（galactic wind）。在星系風(fēng)的作用下，一半左右的星系內(nèi)的氣體會(huì)被吹出星系，成為星系際介質(zhì)。雖然星系風(fēng)在觀測(cè)中已被證實(shí)，但它們的作用究竟有多大還有待觀測(cè)。這個(gè)方案的一個(gè)較為明顯的困難就是它很難解釋在銀河系等星系中恒星的持續(xù)形成。目前的觀測(cè)表明，在銀河系中恒星形成速率大約是每年一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。如果星系中約一半左右的氣體被吹出，剩余的氣體是無(wú)法保持目前這種恒星形成速率的。另外一個(gè)問題就是最近的數(shù)值模擬表明，較強(qiáng)的星系風(fēng)會(huì)阻礙形成星系盤的結(jié)構(gòu)。

另外一個(gè)方案是多相氣體冷卻模型(multi-phase cooling)。在這個(gè)模型中，有大量的熱氣體存在于星系暈中。這些熱氣體由于熱不穩(wěn)定性會(huì)分離（fragmentation）從而快速冷卻，形成高密度的氣體云，落入銀盤來(lái)提供目前觀測(cè)到的銀河系中恒星的持續(xù)形成。而剩余的熱氣體由于密度很低，它們冷卻時(shí)標(biāo)會(huì)長(zhǎng)于哈勃時(shí)標(biāo)，所以不會(huì)過(guò)度冷卻。在這個(gè)方案下，大量低密度、高溫氣體（約為幾百萬(wàn)度）存在于星系的外圍。同樣，這些熱氣體也只可能在紫外和X射線波段被觀測(cè)到，由此也決定了探測(cè)失蹤的星系重子物質(zhì)只可能由空間望遠(yuǎn)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了搜索這些失蹤的重子物質(zhì)，以及驗(yàn)證目前標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型所預(yù)言的“宇宙網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，我國(guó)以南京紫金山天文臺(tái)為主的科研人員正在研制一臺(tái)空間紫外望遠(yuǎn)鏡，來(lái)探測(cè)這些重子物質(zhì)的光譜信號(hào)。國(guó)內(nèi)包括廈門大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)等在內(nèi)的一批高校和中科院科研機(jī)構(gòu)也參與研制工作。該望遠(yuǎn)鏡將包括若干個(gè)大視場(chǎng)、高空間分辨率的窄波段成像相機(jī)，同時(shí)對(duì)位于宇宙網(wǎng)內(nèi)的氫原子和氧離子譜線成像。預(yù)期在2020～2025年之間發(fā)射上天并開展工作。