J. Xavier Prochaska 是加州大学圣克鲁兹分校天文学与天体物理学教授。Jean-Pierre Macquart 是科廷大学天体物理学副教授。本文最初发布于 The Conversation.
在 20 世纪 90 年代末，宇宙学家对宇宙中应有多少普通物质做出了预测。他们估计，大约 5% 应该是常规物质，其余的则是暗物质和暗能量的混合物。但当宇宙学家统计出当时所有可见或可测量的物质时，他们发现数量不足。差了很多。
宇宙学家测量的所有普通物质的总和，只相当于理论上宇宙中应有的 5% 的一半。
这就是所谓的“重子缺失问题”，二十多年来，像我们这样的宇宙学家一直在努力寻找这种物质，但没有成功。
这需要发现一种新的天体现象和全新的望远镜技术，但就在今年早些时候，我们的团队终于找到了缺失的物质。
问题的起源
重子是一种粒子的分类——可以理解为一个“总称”——它包含了质子和中子，而质子和中子是宇宙中所有普通物质的构成单元。元素周期表上的所有物质，以及你认为的几乎所有“东西”，都是由重子构成的。
自 20 世纪 70 年代末以来，宇宙学家就怀疑暗物质——一种尚未被认识的物质类型，它必须存在以解释空间中的引力模式——构成了宇宙中大部分的物质，其余的则是重子物质，但他们不知道确切的比例。1997 年，加州大学圣地亚哥分校的三位科学家通过测量重氢核（比普通氢多一个中子的氢）与普通氢的比例，估算出重子应该占宇宙质量-能量总量的 5% 左右。
然而，就在论文发表的同时，另外三位宇宙学家发出了强烈的警告。他们报告说，通过对恒星、星系以及其内部和周围气体的普查进行的对我们当前宇宙中重子的直接测量，总共只有预测的 5% 的一半。
这引发了重子缺失问题。如果自然法则成立，物质既不能被创造也不能被毁灭，那么有两种可能的解释：要么物质不存在，计算是错误的；要么，物质就藏在某个地方。
不成功的搜寻
全世界的天文学家都加入了搜寻，一年后，理论宇宙学家们得到了第一个线索。他们的计算机模拟预测，大部分缺失的物质隐藏在一种低密度、百万度高温的等离子体中，这种等离子体弥漫在宇宙之中。这被称为“暖热星系际介质”，昵称为“WHIM”。如果 WHIM 存在，它将解决重子缺失问题，但在当时，没有办法确认它的存在。
2001 年，又出现了支持 WHIM 的证据。第二个团队通过观察宇宙微波背景辐射中微小的温度波动——本质上是大爆炸的剩余辐射——确认了最初关于重子占宇宙 5% 的预测。有了两个独立的数字确认，计算一定是正确的，而 WHIM 似乎就是答案。现在宇宙学家只需要找到这种看不见的等离子体。
在过去的 20 年里，我们和其他许多宇宙学家和天文学家团队，几乎动用了地球上所有最伟大的天文台进行搜寻。有一些虚假警报和对暖热气体的不确定的探测，但我们的一支团队最终将这些与星系周围的气体联系起来。如果 WHIM 存在，它也过于微弱和弥散，无法探测。
快速射电暴中的意外解决方案
2007 年，一个完全出乎意料的机会出现了。邓肯·洛里默，西弗吉尼亚大学的天文学家，报告了一项被称为快速射电暴 (FRB) 的宇宙学现象的偶然发现。FRB 是极其短暂、能量极高的无线电发射脉冲。宇宙学家和天文学家仍然不知道是什么产生它们，但它们似乎来自遥远的星系。
当这些辐射脉冲穿越宇宙并经过气体和理论上的 WHIM 时，它们会经历一种叫做色散的现象。
这些 FRB 最初的神秘来源持续不到千分之一秒，所有波长都起始于一个紧密的团簇。如果有人足够幸运（或不幸）地出现在 FRB 产生的地方附近，所有波长都会同时到达他们。
但是，当无线电波穿过物质时，它们会被短暂减速。波长越长，无线电波就越“感觉”到物质。这就像风阻一样。一辆更大的汽车比一辆小汽车感受到更大的风阻。
无线电波的“风阻”效应非常微小，但太空非常广阔。当一个 FRB 传播了数百万甚至数十亿光年到达地球时，色散已经将较长的波长减速得如此之多，以至于它们比较短的波长晚到将近一秒。
FRB 测量宇宙中重子的潜力就在这里，这是一个我们立刻认识到的机会。通过测量一个 FRB 内不同波长的展宽，我们可以精确计算出无线电波在到达地球的过程中穿过了多少物质——多少重子。
这时我们已经非常接近了，但还需要最后一点信息。为了精确测量重子密度，我们需要知道 FRB 来自天空的哪个方向。如果我们知道源星系，我们就知道无线电波传播了多远。有了这个信息以及它们经历的色散量，也许我们就能计算出它们在到达地球的过程中穿过了多少物质？
不幸的是，2007 年的望远镜不够先进，无法精确定位 FRB 来自哪个星系——因此也不知道它有多远。
我们知道什么信息可以帮助我们解决这个问题，现在我们只需要等待技术足够发达，能为我们提供这些数据。
技术创新
直到 11 年后，我们才能够定位我们的第一个 FRB。2018 年 8 月，我们一个名为CRAFT 的合作项目开始使用位于西澳大利亚州内陆的澳大利亚平方公里阵列巡天望远镜 (ASKAP) 来寻找 FRB。这款新望远镜可以观测到广阔的天空区域，大约是满月大小的 60 倍，并且可以同时探测 FRB 并精确定位它们在天空中的位置。
ASKAP 在一个月后捕获了它的第一个 FRB。一旦我们知道了无线电波来自天空的精确区域，我们就迅速使用了位于夏威夷的凯克望远镜来确定 FRB 来自哪个星系以及该星系有多远。我们探测到的第一个 FRB 来自一个名为DES J214425.25–405400.81 的星系，它距离地球约 40 亿光年，以防你想知道。
技术和方法奏效了。我们测量了 FRB 的色散，并且知道了它的来源。但我们需要再捕获几个 FRB，才能获得统计学上有意义的重子计数。所以我们等待，并希望太空能给我们更多 FRB。
到 2019 年 7 月中旬，我们已经探测到了另外五个事件——足够进行首次缺失物质的搜寻。利用这六个 FRB 的色散测量值，我们能够粗略计算出无线电波在到达地球之前穿过了多少物质。
当我们看到数据正好落在 5% 估算的预测曲线上时，我们感到既惊讶又欣慰。我们已经完全探测到了缺失的重子，从而解决了这个宇宙学谜题，并结束了长达二十年的搜寻。
然而，这一结果只是第一步。我们能够估算出重子的总量，但由于只有六个数据点，我们还无法建立缺失重子的全面图谱。我们已经证明 WHIM 很可能存在，并确认了其数量，但我们还不知道它确切的分布情况。人们认为它是一个连接星系的巨大丝状气体网络的一部分，被称为“宇宙网”，但有了大约 100 个快速射电暴，宇宙学家就可以开始构建这个网络的精确地图了。
