在遥远的银河光环范围内发现失踪的重子

一项新的研究发现，定位困难的一部分粒子很可能散布在银河晕的遥远边界上。研究发现，其中一些重子物质粒子距银河系中心的距离最远为600万光年。这张彩色渲染的图像显示了仙女座星系的光环，这是银河系最大的银河系邻居。

研究人员已经引导了宇宙最早的光-一种被称为宇宙微波背景（CMB）的宇宙形成的遗迹-解决了一个遗漏的谜团，并了解了有关星系形成的新知识。他们的工作还可以通过提供有关星系向我们移动或远离我们移动的速率的新细节，帮助我们更好地理解暗能量并检验爱因斯坦的广义相对论。

看不见的暗物质和暗能量约占宇宙总质量和能量的95％，而被认为是普通物质的5％也绝大部分看不见，例如，构成它们的星系外围的气体-叫做光环。

这种普通物质大部分由中子和质子组成，这些中子和质子存在于氢和氦等原子核中，称为重子。重质物质中只有约10％是恒星形式的，其余大部分居住在星系之间的空间中，这些星系之间分布着一系列热的，分散的物质，称为暖热的银河系中间介质，即WHIM。

由于重子在太空中的分布如此之广，因此科学家很难清楚地了解它们在星系周围的位置和密度。由于对普通物质所处位置的了解不完整，因此大多数宇宙的重子都可以视为“缺失”。

现在，由美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（伯克利实验室）和康奈尔大学的物理学家做出的重要贡献的国际研究人员团队，通过提供迄今为止最佳的测量结果，绘制了这些缺失的重子的位置图星系群周围的位置和密度。

事实证明，这些重子毕竟处于星系光晕中，而且这些光晕的延伸范围比流行模型所预测的还要远。尽管大多数非星系星系的恒星通常都包含在距星系中心约100,000光年的区域内，但这些测量结果表明，对于给定的一组星系，最远的重子可以从其星系延伸约600万光年。中央。

矛盾的是，这种缺失物质比暗物质更具挑战性，暗物质我们可以通过其对正常物质的引力效应间接观察到。暗物质是未知物质，约占宇宙的27％。暗能量占宇宙的68％，而暗能量以加速的速度驱使宇宙中的物质分离。

“普通物质中只有百分之几是恒星形式的。伯克利实验室物理系张伯伦博士后研究员，有关失重子的两篇论文之一的主要作者艾曼纽尔·沙恩（Emmanuel Schaan）说，大部分气体的形式通常都是太微弱，太弥散而无法检测到的气体。 2021年3月15日，发表在《物理评论D》杂志上。

研究人员利用了一种称为Sunyaev-Zel’dovich效应的过程，该过程解释了CMB电子如何通过散射过程与星系团周围的高温气体相互作用，从而通过散射过程获得能量的提升。

参与两项研究的伯克利实验室物理系分部研究员西蒙妮·费拉罗（Simone Ferraro）表示：“这是一个超越银河系位置和银河系速度的绝佳机会。”“我们的测量结果包含许多有关这些星系移动速度的宇宙学信息。它将补充其他天文台进行的测量，并使它们更加强大。”他说。

康奈尔大学的一组研究人员，由助理研究员Stefania Amodeo组成。Nicholas Battaglia教授和研究生Emily Moser领导了测量的建模和解释，并探讨了它们对弱引力透镜和星系形成的影响。

研究人员开发的计算机算法应被证明对高精度分析未来实验中的“弱镜头”数据很有用。当诸如星系和星系团之类的大质量物体在特定位置上大致对准时，就会发生透镜现象，从而引力畸变实际上会使来自较远物体的光发生弯曲和变形。

弱透镜是科学家用来了解宇宙起源和演化的主要技术之一，包括对暗物质和暗能量的研究。了解重子物质的位置和分布可以使这些数据触手可及。

Ferraro说：“这些测量结果对弱透镜检测具有深远的影响，我们希望这项技术在校准未来的弱透镜测量方面非常有效。”

沙恩指出：“我们还会获得与星系形成相关的信息。”

在最新研究中，研究人员依靠的是来自新墨西哥州地面Baryon振荡光谱调查（BOSS）的星系数据集，以及智利Atacama宇宙望远镜（ACT）和欧洲航天局的天基普朗克望远镜的CMB数据。伯克利实验室在BOSS映射工作中发挥了领导作用，并开发了NERSC上普朗克数据处理所需的计算体系结构。

他们创建的算法得益于伯克利实验室（Berkeley Lab）在能源部资助的国家能源研究科学计算中心（NERSC）上使用Cori超级计算机进行的分析。该算法对电子进行计数，从而使它们可以忽略气体的化学成分。

沙恩解释说：“这就像钞票上的水印。”“如果将其放在背光灯前面，则水印将显示为阴影。对我们来说，背光是宇宙微波背景。它起到从后面照亮气体的作用，因此当CMB光穿过该气体时，我们可以看到阴影。”

费拉罗说：“这是第一个真正意义重大的测量，它真正确定了气体的位置。”

研究人员创建的“ ThumbStack”软件提供了新的星系光晕图像：巨大的模糊球形区域，其范围远远超出了星光区域。该软件甚至可以有效地绘制晕圈，即使对于质量低的晕圈的星系组以及非常快地远离我们的星系（也称为“高红移”星系）也是如此。

应该从晕圈映射工具中受益的新实验包括暗能量光谱仪，维拉·鲁宾天文台，南希·格雷斯罗马太空望远镜和欧几里德太空望远镜。

参考：“阿塔卡马宇宙学望远镜：由Emmanuel Schaan等人在BOSS CMASS和LOWZ光晕中进行的运动学和热学的Sunyaev-Zel’dovich组合测量。（阿塔卡马宇宙望远镜合作），2021年3月15日，物理评论D.DOI：
10.1103 / PhysRevD.103.063513

NERSC是美国能源部科学办公室的用户设施。

除了伯克利实验室，UCB和康奈尔大学的主要作者外，来自七个国家的41个机构的研究人员也参与了这项新研究。这项工作得到了美国能源部科学技术办公室，国家科学基金会，普林斯顿大学，宾夕法尼亚大学和加拿大创新基金会的部分支持。斯隆数字天空调查IV的资金是由阿尔弗雷德·P·斯隆基金会，美国能源部科学技术办公室和参与机构提供的。