研究人員將宇宙最早的光–一種被稱為宇宙微波背景(CMB)的宇宙形成的遺跡–引導到解開一個缺失物質之謎，並了解到關於星系形成的物質。他們的工作還可以幫助我們更好地理解暗能量，並通過提供關於星係向我們移動或遠離我們的速度的新細節來檢驗愛因斯坦的廣義相對論。

研究人員將宇宙最早的光–一種被稱為宇宙微波背景(CMB)的宇宙形成的遺跡–引導到解開一個缺失物質之謎，並了解到關於星系形成的物質。他們的工作還可以幫助我們更好地理解暗能量，並通過提供關於星係向我們移動或遠離我們的速度的新細節來檢驗愛因斯坦的廣義相對論。

不可見的暗物質和暗能量約佔宇宙總質量和能量的95%，而被認為是普通物質的5%中的大部分也基本上是看不見的，比如星系外圍的氣體，構成了它們所謂的光環。這些普通物質中的大部分是由中子和質子組成的–這些粒子被稱為雙子，存在於氫和氦等原子核中。只有大約10%的重子物質是以恆星的形式存在的，其餘的大部分以熱的、分散的物質鏈的形式存在於星系之間的空間，這些物質被稱為暖熱的星系間介質，或WHIM。

由於雙子在空間中如此分散，科學家們一直很難清楚地了解它們在星系周圍的位置和密度。由於這種對普通物質居住地的不完整描述，宇宙中的大部分雙子都可以被認為是”失踪”的。

現在，一個國際研究團隊在美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）和康奈爾大學物理學家的關鍵貢獻下，通過提供迄今為止最好的星系群周圍的位置和密度測量，繪製了這些失踪的重子的位置。

事實證明，這些重子確實存留於星系光環中，而且這些光環比流行的模型所預測的要延伸得更遠。雖然單個星系的大部分恆星通常包含在距離星系中心約10萬光年的區域內，但這些測量結果顯示，對於一個給定的星系群來說，最遙遠的雙子可以從其中心延伸約600萬光年。

矛盾的是，這種缺失的物質比暗物質更具有挑戰性，我們可以通過其對正常物質的引力效應間接觀察到暗物質。暗物質是未知的東西，約佔宇宙的27%；而暗能量，正以加速的速度推動宇宙中的物質分離，約佔宇宙的68%。

“普通物質中只有百分之幾是以恆星的形式存在。大部分是以氣體的形式存在，這些氣體一般太微弱、太瀰漫，無法被探測到。”伯克利實驗室物理學部的張伯倫博士後研究員Emmanuel Schaan說，他是兩篇關於失踪的雙子的論文之一的主要作者，於2021年3月15日發表在《物理評論D》雜誌上。

研究人員利用一種被稱為Sunyaev-Zel’dovich效應的過程，解釋了CMB電子在與星系團周圍的熱氣體相互作用時如何通過散射過程獲得能量提升。

“這是一個超越星系位置和星系速度的好機會，”參與這兩項研究的伯克利實驗室物理學部的師級研究員Simone Ferraro說。”我們的測量包含了很多關於這些星系移動速度的宇宙學信息。它將補充其他天文台的測量結果，並使其更加有說服力，”他說。

康奈爾大學的一個研究小組，由Stefania Amodeo助理教授、Nicholas Battaglia教授和研究生Emily Moser領導了建模和測量結果的解釋，並探討了它們對弱引力透鏡和星系形成的後果。

研究人員開發的計算機算法應該被證明對分析未來實驗中高精度的”弱透鏡”數據是有用的。當星系和星系團等巨大天體在某一特定的站點線上大致對齊時，就會出現透鏡現象，這樣引力扭曲實際上會使來自更遠天體的光線彎曲和扭曲。

弱透鏡是科學家用來理解宇宙起源和演化的主要技術之一，包括研究暗物質和暗能量。學習雙子物質的位置和分佈，使這些數據觸手可及。

“這些測量結果對弱透鏡有著深遠的影響，我們期望這項技術能夠非常有效地校準未來的弱透鏡調查，”費拉羅說。

Schaan指出：”我們還得到了與星系形成相關的信息。”

在最新的研究中，研究人員依靠來自新墨西哥州的地面Baryon Oscillation Spectroscopic Survey(BOSS)的星係數據集，以及來自智利阿塔卡馬宇宙學望遠鏡(ACT)和歐洲航天局的天基普朗克望遠鏡的CMB數據。伯克利實驗室在BOSS測繪工作中發揮了主導作用，並為NERSC的Planck數據處理開發了必要的計算架構。

他們創建的算法得益於使用伯克利實驗室由DOE資助的國家能源研究科學計算中心（NERSC）的Cori超級計算機進行分析。算法對電子進行計數，使他們能夠忽略氣體的化學成分。

“這就像銀行票據上的水印，”Schaan解釋說。”如果你把它放在背光前，那麼水印就會出現陰影。對我們來說，背光就是宇宙微波背景。它的作用是從後面照亮氣體，所以當CMB光穿過該氣體時，我們可以看到陰影。”

費拉羅說：”這是第一個真正高意義的測量，真正確定了氣體的位置。”

研究人員創建的”ThumbStack”軟件提供的星系光環新圖景：巨大的、模糊的球形區域遠遠延伸到星光區域之外。這款軟件能夠有效地繪製這些光環，即使是對於那些低質量光環的星系群，以及那些正在快速遠離我們的星系（被稱為”高紅移”星系）。

應從光環繪圖工具中受益的新實驗包括暗能量光譜儀、維拉-魯賓天文台、南希-格雷斯-羅馬空間望遠鏡和歐幾里得空間望遠鏡。