霍金博士论文开放引热议，宇宙的奥秘要从大爆炸理论说起
何启敏
10月24日，英国著名物理学家霍金将自己24岁时撰写的博士论文《膨胀宇宙的属性》（Properties of Expanding Universes）发布到了剑桥大学的开放获取数据库，不到24小时就被下载了将近6万次，甚至一度导致网站崩溃。而就在一个多星期前，双中子星系统并合引力波被人类首次探测到，这一天文学的伟大发现赢得了广泛的关注和赞誉。
不仅是霍金的论文和引力波，事实上，现今人类对宇宙的了解很多都和“宇宙大爆炸”理论有关，而宇宙中还有很多人类没能解开的奥秘。不久前天文学领域的另一发现同样不容忽视。《卫报》10月12日发表的一篇题为《天文学家找到宇宙中一半失踪物质》的文章介绍称，人类首次找到一部分“丢失”的普通物质，部分解开了宇宙学中最令人费解的谜题之一。
“失踪”的普通物质如何被发现
天文学家认为，宇宙是由普通物质、暗物质和暗能量组成的。简单来说，普通物质主要是看得见或摸得着的物质。从宏观角度看表现为行星、恒星和星系等，从微观角度看则表现为各种粒子。目前的科学界普遍认为，普通物质由原子组成，而原子由原子核和核外电子组成，而原子核由中子和质子组成；中子和质子都由三个夸克组成，电子则被认为是不可再分的基本粒子。关于物质的基本粒子，弦理论主张：弦更加基本，不同粒子只是弦的不同振动形式的表现。但是，基于弦理论做出的预测都未经实验证实，因而其正确性还有待验证。
《卫报》报道中称，科学家先前对宇宙大爆炸遗留下来的辐射进行测量，根据测量结果确定了宇宙中物质的种类及形式，即普通物质、暗物质和暗能量三种。最近的空间探测表明，普通物质约占总数的5%，暗物质约占25%，暗能量约占70%。然而，科学家计算宇宙中所有可观测到的物体（恒星、行星和星系等）后发现，它们似乎只占了普通物质总数的十分之一到五分之一。也就是说，五分之四到十分之九的普通物质没有被观测到，也即“失踪了”，这个现象被称为“重子失踪问题”（missing baryon problem）, 因为普通物质都是由质子和中子组成，而重子也是由质子和中子构成的。伦敦大学学院的天体物理学教授理查德·艾利斯（Richard·Ellis）对此说道：“人们都同意它们失踪了，这就提出了一个问题，它们到底在哪里？”
此前，天文学家已经发现许多缕高温、呈散射状的“气体”，这些“气体”把宇宙中的星系连接在一起（过去的一般观点认为星系之间是相互独立的），但是天文学家不知道那些“气体”是什么。科学家猜测，这些“气体”和失踪的重子存在着某些关联，从而推测失踪的重子可能漂浮在连接星系团的散射气体丝（gaseous filaments）或薄片（sheets）中。
提出猜测之后，科学家们就开始尝试对此进行验证，但十分困难。这些气状物被称为暖热星系际介质（Warm-hot intergalactic medium，简称Whim），温度应该在100万摄氏度左右。在这个温度下，这些呈丝状的“气体”不够热，无法释放出太多的能量，很难用X射线望远镜观测到。但又不够冷，导致其无法吸收足够的通过光线。
科学家只能另辟蹊径，首先假设大爆炸中遗留下来的光线经过热气体时，其中的一些光线与气体粒子碰撞发生散射，会在宇宙微波背景中留下暗淡的斑点或轮廓。科学家们使用普朗克卫星拍摄的微波背景图像验证了这一假设。然后，再利用斯隆数字巡天所制作的宇宙三维地图，选取出可能由丝状物连接的星系。最后，将普朗克图像组合在每个星系的周围的区域，使那些重子链能够被观测到。
2015年，欧洲航天局的普朗克卫星就尝试绘制这种效应，但是由于星系之间的气体丝太微弱，那些暗淡的轮廓或斑点不能再普朗克地图上显示出来。此次，英国爱丁堡大学的Anna de Graaff研究小组发现，星系之间的区域的密度大约是周围空间的6倍，这些气态丝状物大约可以占到宇宙中普通物质的30%。法国奥赛天文物理研究所的科学家团队计算出的结果略低于这个水平，但两方面的数据是一致的。由此证明，那些失踪的物质并没有丢失，而是隐藏在那些气体丝中。
尽管这个发现可以部分解决那个长期存在的谜题,但还有一部分普通物质没有被找到，有观点认为剩余部分由其他物质诸如暗物质或暗能量组成。普通物质尚且如此神秘，与之共同构成宇宙的暗物质和暗能量则更加深不可测。
暗物质和暗能量