新研究：宇宙76%普通物質藏身星系之間的空間

IT之家 12 月 28 日消息，若你用望遠鏡眺望宇宙，會看到無數星系。這些星系大多擁有超大質量的中心黑洞、數十億顆恒星，以及圍繞恒星運行的行星。宇宙中充斥著體積龐大、壯麗璀璨的天體，人們或許會認為，宇宙中的絕大部分物質都集中在這些巨型天體之中。

但大爆炸理論預測，宇宙中約 5% 的物質應當是由質子、中子和電子構成的原子。而這些原子中的絕大多數，都無法在恒星和星系中找到，這一矛盾現象長期困擾著天文學家。

既然這些物質不在可見的恒星與星系里，那么它們最有可能的藏身之處，便是星系之間的廣袤虛空。盡管太空常被稱作真空，但它并非完全空無一物。單個粒子和原子彌散在恒星與星系的空間中，構成了一個昏暗、呈絲狀網絡結構的“宇宙網”。

2025 年 6 月發表的一項研究中，一個科學家團隊運用一種獨特的射電技術，完成了對宇宙中普通物質的普查。

普通物質普查

尋找普通物質，最直觀的目標便是恒星。引力將恒星匯聚成星系，天文學家能夠統計可觀測宇宙內的所有星系數量。

據普查結果，宇宙中約有數千億個星系，每個星系又包含數千億顆恒星。不過這個數字存在不確定性，因為有許多恒星游離于星系之外。據估算，宇宙中恒星總數約為 10 的 23 次方顆，這一數量是地球上所有沙灘沙子總數的數百倍。而宇宙中的原子總數，更是達到了約 10 的 82 次方個。

然而，如此龐大的數量，與大爆炸理論預測的物質總量仍相去甚遠。精確核算表明，恒星僅占宇宙物質總量的 0.5%。據推測，宇宙中漂浮著的自由原子數量，是恒星中原子數量的十倍。而除氫、氦之外的其他元素 —— 包括碳，以及構成生命的所有基礎物質，僅占宇宙物質總量的 0.03%。

探秘星系際空間

星系際介質，即星系之間的空間，近乎完全真空，其密度約為每立方米 1 個原子，這一密度還不到地球空氣密度的萬億億分之一。但考慮到宇宙直徑高達 920 億光年，即便密度如此之低，這種彌散介質所累積的物質總量依然相當可觀。

據IT之家了解，星系際介質溫度極高，可達數百萬攝氏度。這一特性使其極難被觀測，唯有借助 X 射線望遠鏡才能實現 —— 因為超高溫氣體在宇宙中會以極短的 X 射線波長輻射能量。但 X 射線望遠鏡的靈敏度有限，原因在于其體積小于大多數光學望遠鏡。

新工具登場

天文學家近期借助一種新型工具，攻克了這一“物質失蹤”難題。快速射電暴是一種強烈的射電波爆發，它在一毫秒內釋放的能量，相當于太陽三天釋放的能量總和。這類爆發于 2007 年首次被發現，科學家隨后證實，其源頭是遙遠星系中致密的恒星殘骸。射電暴的能量在穿越宇宙空間的過程中會不斷衰減，當這些能量抵達地球時，其強度已降至月球發射的手機信號抵達地球時強度的千分之一。

2025 年初的研究指出，快速射電暴的源頭，是超致密中子星周圍的強磁場區域。中子星是大質量恒星在超新星爆發后，因自身引力坍縮形成的密度極高的殘骸。能夠發射射電暴的這類特殊中子星被稱為“磁星”，其磁場強度是地球磁場的千萬億倍。

盡管天文學家尚未完全弄清快速射電暴的成因，但他們已能利用這種現象來探測星系之間的空間。當快速射電暴穿越宇宙時，其電波會與高溫星系際氣體中的電子發生作用，導致較長波長的電波速度減慢。射電信號會因此發生色散，就像三棱鏡將太陽光分解成彩虹一樣。天文學家通過測量信號的色散量，就能計算出射電暴在抵達地球的途中，穿過了多少星系際氣體。

謎題破解

2025 年 6 月發表的這項新研究中，來自加州理工學院和哈佛天體物理中心的天文學家團隊，利用加利福尼亞州的一個由 110 臺射電望遠鏡組成的陣列，對 69 個快速射電暴展開了研究。團隊發現，宇宙中 76% 的普通物質存在于星系之間的空間，15% 存在于星系暈（即星系中可見恒星周圍的區域），剩余的 9% 則存在于恒星內部。

這項對宇宙普通物質的完整普查，為大爆炸理論提供了有力佐證。該理論預測，宇宙誕生最初幾分鐘內形成的普通物質總量占比約為 5%，而此次研究恰好找到了這一比例的物質，讓大爆炸理論通過了一項關鍵驗證。

截至目前，人類已觀測到數千個快速射電暴。未來即將建成的射電望遠鏡陣列，有望將射電暴的發現速率提升至每年 1 萬個。如此龐大的樣本量，將使快速射電暴成為宇宙學研究的強大工具。宇宙學是一門研究宇宙大小、形狀及演化過程的學科。借助快速射電暴，科學家不僅能統計原子數量，還能繪制出宇宙網的三維結構。

宇宙物質構成餅圖

如今，科學家或許已經摸清了普通物質在宇宙中的分布全貌，但宇宙的絕大部分構成，依然是他們尚未完全理解的存在。

宇宙中含量最豐富的兩種成分是暗物質和暗能量，而人類對這兩者的認知都十分有限。暗能量正在推動宇宙加速膨脹，暗物質則是維系星系乃至整個宇宙結構的“隱形黏合劑”。

暗物質很可能是一種此前未被發現的基本粒子，不屬于粒子物理標準模型的范疇。物理學家至今未能直接探測到這種新型粒子，但我們可以確定它的存在 —— 根據廣義相對論，質量會使光線發生彎曲，而人類觀測到的引力透鏡效應，遠超可見物質所能產生的程度。引力透鏡效應是指星系團會像光學透鏡一樣，使經過其附近的光線發生彎曲和放大。暗物質的總質量，是普通物質的 5 倍以上。

一個謎題或許已經解開，但更大的謎團仍待探索。盡管暗物質依舊神秘莫測，但我們如今對構成人類自身及周遭世界的普通原子，已經有了極為深入的了解。