空間科學研究方向介紹：尋找失蹤的重子物質

這里，我們將以科學問題“尋找失蹤的重子物質”為例來介紹一個我國的空間科學研究方向。

如前所述，我們在宇宙中能夠觀測到的普通物質總量（泛稱為“重子物質”）只占總量的5%左右。這是基于我們對于早期宇宙的一系列觀測所得出的結論。這些觀測包括宇宙大爆炸后的核合成、宇宙微波背景輻射，以及對于早期宇宙的所謂萊曼森林吸收線（存在于星系際介質內的中性氫在遙遠類星體的光譜上所產生的吸收線）觀測。

然而，在1998年的一篇經典論文里，美國普林斯頓高等學術研究所和日本東京大學的Fukugita以及Hogan和Peebles發現，將所有能觀測到的重子物質加在一起，所觀測的重子物質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際天文的研究熱點之一。

近年來，一系列的理論研究和數值模擬計算表明，除了少部分組成星系和星系團介質的重子，絕大多數宇宙中的重子存在于星系際介質中。星系際介質追蹤了冷暗物質的大尺度結構，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，星系際介質分布比較均勻；隨著時間的演化，形成了大尺度結構的“宇宙網”（Cosmic Web）。由細條狀結構的引力塌縮所釋放的能量將氣體加熱到比較高的溫度（從幾十萬度到幾千萬度）。原來在早期宇宙里占重子主導的萊曼森林線迅速變薄，星系際介質中的熱成分變得重要起來。在紅移為零處有30%～50%的星系際介質是高溫的，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，氣體的輻射性質決定了這些物質只可能在紫外和X射線波段被觀測到，由此也決定了探測失蹤的重子物質只可能由空間望遠鏡來實現。

另外一個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。

在過去三十年中，由標準的宇宙學常數加冷暗物質模型框架下構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演化等問題。在這個模型下，大尺度結構呈等級式成團演化（hierarchical structure formation），在成團（clustering）的每一個階段，暗物質會首先塌縮形成暈（halo）結構，被暗物質暈引力勢場所約束的氣體會隨后收縮、冷卻，形成星系、恒星等結構。可是，隨著最新觀測的發展，這個理論也面臨著一系列嚴重的挑戰。其中最重要的問題之一就是“過度冷卻”（over-cooling）。

在最早、也是目前標準的星系模型預言中，從星系際介質中吸積的氣體被激波加熱后會迅速冷卻，形成可觀測的恒星以及星際介質等物資。可是當前對銀河系及鄰近星系的觀測表明，這些可探測的物質最多只有星系模型預言的一半，構成了所謂的“過度冷卻”。這個模型同時也過高預言了星系的X射線光度。搜尋這些“失蹤”的氣體是當前星系演化研究最前沿的課題之一。因為這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程中，獲得星系核反饋或恒星反饋作用會產生強烈的星系風（galactic wind）。在星系風的作用下，一半左右的星系內的氣體會被吹出星系，成為星系際介質。雖然星系風在觀測中已被證實，但它們的作用究竟有多大還有待觀測。這個方案的一個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形成。目前的觀測表明，在銀河系中恒星形成速率大約是每年一個太陽質量。如果星系中約一半左右的氣體被吹出，剩余的氣體是無法保持目前這種恒星形成速率的。另外一個問題就是最近的數值模擬表明，較強的星系風會阻礙形成星系盤的結構。

另外一個方案是多相氣體冷卻模型(multi-phase cooling)。在這個模型中，有大量的熱氣體存在于星系暈中。這些熱氣體由于熱不穩定性會分離（fragmentation）從而快速冷卻，形成高密度的氣體云，落入銀盤來提供目前觀測到的銀河系中恒星的持續形成。而剩余的熱氣體由于密度很低，它們冷卻時標會長于哈勃時標，所以不會過度冷卻。在這個方案下，大量低密度、高溫氣體（約為幾百萬度）存在于星系的外圍。同樣，這些熱氣體也只可能在紫外和X射線波段被觀測到，由此也決定了探測失蹤的星系重子物質只可能由空間望遠鏡來實現。

為了搜索這些失蹤的重子物質，以及驗證目前標準宇宙學模型所預言的“宇宙網”結構，我國以南京紫金山天文臺為主的科研人員正在研制一臺空間紫外望遠鏡，來探測這些重子物質的光譜信號。國內包括廈門大學、中國科技大學等在內的一批高校和中科院科研機構也參與研制工作。該望遠鏡將包括若干個大視場、高空間分辨率的窄波段成像相機，同時對位于宇宙網內的氫原子和氧離子譜線成像。預期在2020～2025年之間發射上天并開展工作。