消失了的物质

提起看不见的物质，往往会让人联想到暗物质，实际上，宇宙里曾有一半的可视物质没有被科学家观测到。

故事开始于1996年。

美国加州大学的科学家通过氘(一种氢的同位素)与正常的氢的比率，计算出了宇宙中的普通物质(或者说是可视物质)占宇宙总物质的5%。

但他们的论文刚发表没多久，就有天文学家出来证伪他们的理论。

天文学家给出令人信服的证据，他们直接给宇宙的所有可视物质进行了普查，但得到的结果却只有加州大学科学家估值的一半。

换句话说，根据天文学家的直接观察，宇宙中可视物质只占宇宙总物质的2.5%。

那么，是计算出了问题吗?加州大学的科学家重新检验了他们的计算，发现5%是正确的答案;但是，事实证据也不会说谎。

那么，那些未被发现的物质消失到哪儿了?科学界的一桩悬案就此诞生了。

在经过一系列的探测之后，科学家找到了一些线索。

他们认为，那消失的物质就在星系团之间的空旷区域里，聚集成一股氢气云。

至于为什么看不见，这或许是由于它们太稀薄了，正如肉眼可见的水蒸气如果过于稀薄，就会变得不可见那样。

氢气云非常薄，几立方米的空间当中只有几颗氢原子。

不过，又是什么原因，使得氢气云变得连最先进的天文望远镜都无法“看见”?

高温的氢气团

科学家推测，这或许是由高温所致的。

星系团里有数量众多的、各种各样的恒星，这些恒星在自身发生各种反应的过程中，会向外散发这种高能的辐射。

当这些辐射来到氢气云时，会“加热”氢气云里的氢原子，然后氢原子会获得过多的能量。

氢原子里的质子和电子会因被注入过多能量，被分离成孤立的质子和电子，形成等离子体。

被电离的氢原子无法再吸收或发射任何的光，所以光线能轻而易举地穿透它，于是，氢原子就“透明”了。

但是，氢原子也只是透明，而非变得虚无。

换句话说，它依然能折射穿透而过的光线，类似于水那样。

根据这个道理，科学家不仅可以验证氢气云是否存在，还可以计算出氢气云的质量。

科学家利用澳大利亚的平方千米阵列探路望远镜，探测到了一股强烈的电磁脉冲。

这股脉冲来自于距离地球40亿光年的中子星爆发，它从另一座星系，穿越到了银河系，其间会经过疑似氢气云存在的区域。

经过计算，科学家发现这股脉冲抵达地球的时间比理论上的晚了近1秒，这表明脉冲途中一定经过某种物质的折射，才导致了其光速的改变。

根据那近1秒的时间差，科学家还可以计算出脉冲途中所经过的物质的折射率，进而了解该物质的密度和性质，果然，造成脉冲折射的物质就是氢。

然后再根据收集到星系之间的氢的密度数据，科学家得以计算星系之间的氢的总质量，而这一总质量恰好等于宇宙里那“消失的一半可视物质”的质量。

“消失的一半可视物质”的谜团终于解开了，科学家也终于可以腾出手来，探测暗能量了。

下一个目标：暗能量

暗能量是一种推动宇宙加速膨胀的神秘力量，1998年，科学家首次发现暗能量存在的有力证据。

宇宙微波背景辐射观测实验给出的数据表明，宇宙中普通物质只占4.9%，暗物质占到26.8%，暗能量占到68.3%。

暗能量与暗物质被科学家称为“21世纪初物理学天空存在的两朵乌云”。

科学家为什么现在才有机会探测暗能量呢?因为暗能量理论虽然提出已经很久了，也已经有了令人信服的间接证据证明它的存在，但是直到现在还没有任何关于它的直接证据。

因此暗能量的探测优先级排在了最后。

而且这样的观测需要足够的资金和高精度的仪器。

科学家先将有限的资源来建设大型粒子加速器以寻找暗物质了，一时半会儿没有多余的资源和精力建造可以探测暗能量的仪器。

所以，也只有在最早的那一个问题解决之后，科学家才能把注意力集中在暗能量上。

2020年12月，专门用来探测暗能量的暗能量光谱仪(简称DESI)在美国亚利桑那州落成。

DESI有5000根探测天线，它们分别朝向不同的太空方向，犹如苍蝇的眼睛那般。

每根天线负责探测一座星系，在20分钟内，DESI就能探测完5000座星系。

DESI是一个包含来自13个国家近80个研究单位的500多名研究者的国际合作项目，管理单位是美国劳伦斯伯克利国家实验室，它的主要目标是精确观测宇宙中星系大尺度结构分布的三维结构，从而揭示宇宙加速膨胀和暗能量的奥秘。

2021年5月17日，DESI项目在美国亚利桑那的基特峰国家天文台正式开始观测。

在这之后的五年中，DESI将观测来自于约3000万个远方星系的古老光子，并利用这些光子组成的光谱能量分布来测量宇宙的加速膨胀速度、宇宙中大尺度结构的增长和形成历史、以及星系本身的形成和演化历史。

作为目前世界上最大的光谱巡天项目，DESI观测到的星系光谱数目将会是之前所有巡天观测到的光谱数之和的十倍，让我们能够一直观测到宇宙110亿年之前的古老星系分布。

正因如此，DESI也是下一代暗能量巡天中最富有野心的项目，其科学目标是回答现在困扰整个人类文明的关乎宇宙命运的终极问题：暗能量的本质是什么?宇宙大尺度上，爱因斯坦的广义相对论是否仍然成立，或是需要修改才能解释宇宙结构的增长与加速膨胀?