追蹤氫原子的演化與分布
人們常說“天上的星星數(shù)不清”，但其實(shí)把天上的星星數(shù)清楚，對(duì)天文學(xué)家來說并不是什么難事，非但如此，天文學(xué)家甚至有可能把宇宙中的原子數(shù)量一一數(shù)清。
給宇宙中的原子計(jì)數(shù)，聽起來是項(xiàng)不可能完成的繁瑣工作，其實(shí)并非如此。組成原子核的粒子是在137億年前的大爆炸之后誕生的，它們的數(shù)量首先可以通過大爆炸的理論模型推算出來。然后，我們可以通過觀測(cè)來驗(yàn)證推算結(jié)果。
宇宙在大爆炸中誕生之后，首先出現(xiàn)的物質(zhì)是大量的自由夸克和電子，隨著宇宙膨脹，溫度不斷降低，夸克們結(jié)合在一起形成了質(zhì)子和中子。然后，除少量中子和質(zhì)子又結(jié)合在一起成為了氦原子核，剩下的大量質(zhì)子與充斥宇宙的自由電子結(jié)合，形成氫原子。此時(shí)宇宙中的物質(zhì)有75%是氫原子，剩下的25%則幾乎全是氦，只有極少量其他原子。
在接下來的100多億年中，宇宙不斷膨脹和演化。氦的數(shù)量雖然也不算少，但氫才是宇宙演化的主角，因?yàn)橹挥袣湓硬拍茳c(diǎn)燃那些璀璨的恒星。古老的氫氣體云在自身引力的作用下，逐漸坍縮，形成了恒星和星系。第一代恒星質(zhì)量巨大，在其核心中進(jìn)行的氫聚變反應(yīng)異常劇烈，所以它們會(huì)迅速燃盡自己，把一些氫原子加工成較重的元素。最終這些恒星在超新星爆發(fā)中毀滅，并把重元素散播進(jìn)了星際空間。在這之后，新形成的恒星繼續(xù)著這樣的聚變過程，把氫鍛造成重元素。時(shí)至今日，宇宙中除了氫和氦之外，還有碳、氧、硅、銅、鈾等上百種元素，這些元素形成了包括地球在內(nèi)的行星，以及我們?nèi)祟愖约旱纳眢w。
雖然在地球上氧和硅等元素所占的比例更大，但氫依然是宇宙中物質(zhì)的主宰，它至今仍然占有了宇宙全部可見物質(zhì)的74%，氦在宇宙中的比例大約是24%，其他重元素合起來也只有2%。現(xiàn)在大量的氫氣體云還彌漫在星際空間中，而恒星中真正參與了核聚變反應(yīng)的也不過是核心中的少數(shù)氫。
天文學(xué)家可以追蹤氫原子們的百億年演化過程，找到氫原子們現(xiàn)在分布在哪里，推算出我們的銀河系應(yīng)該分到了多少個(gè)氫原子。然而科學(xué)家通過天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的銀河系中氫原子數(shù)量與理論推算值嚴(yán)重不符，幾乎少了一半。這是怎么一回事呢？
星系人口普查
在星系中，物質(zhì)能躲藏的地方并不多。恒星基本不可能漏掉，現(xiàn)在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡非常強(qiáng)大，幾乎所有的恒星都逃不過它們的眼睛。至于星際間那廣闊無垠的空間，雖然那里的氫原子密度僅有每立方米幾百個(gè)原子，幾乎就和真空一樣，但也并非難以觀測(cè)的。
首先，在恒星附近由氫原子組成的氣體云，在被它們所環(huán)繞的恒星加熱后，會(huì)發(fā)出射電波段的輻射，使得天文學(xué)家可以利用射電望遠(yuǎn)鏡來描繪出這些氣體在天空中的分布情況。其次，那些遠(yuǎn)離恒星的氫氣體云觀測(cè)難度大些，雖然這里的氫原子密度達(dá)到每立方米數(shù)萬億個(gè)，而且還大量收縮形成氫分子云，但在這樣恒星光芒無法照耀的星際空間里，溫度極低，那些低溫的氫分子云不會(huì)穩(wěn)定地發(fā)出射電或紅外輻射，所以不能直接被觀測(cè)到。不過，幸運(yùn)的是，在氫分子云里還能形成一氧化碳，氫分子云的大小與一氧化碳形成量之間存在一定的比例關(guān)系，而一氧化碳分子是會(huì)發(fā)出射電輻射的。所以，就算我們不能直接看到氫分子云，根據(jù)觀測(cè)到的一氧化碳的量，也完全可以推測(cè)出那兒有多少氫分子。總而言之，以各種形式存在于恒星和星際空間中的氫原子的數(shù)量，天文學(xué)家都能一一把它們清點(diǎn)出來。
但即使把所有這些氫原子藏身的地方都清點(diǎn)出來，整個(gè)銀河系氫原子數(shù)目與理論預(yù)測(cè)值還是相差太遠(yuǎn)。
漏查了星際塵埃
天文學(xué)家不得不承認(rèn)，要想在小小的地球上找到銀河系所有氫原子的藏身之地，確實(shí)是件很困難的事。好在天文望遠(yuǎn)鏡的功能越來越強(qiáng)大，它們有能力把銀河系再細(xì)細(xì)排查一遍。美國航天局的康普頓伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡是當(dāng)代世界上最先進(jìn)的天文望遠(yuǎn)鏡之一，它從1991到2000年間，一直在收集來自銀河系的高能伽馬射線源的數(shù)據(jù)。天文學(xué)家在分析這些觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了許多身份不明的伽馬射線源，分布遍及整個(gè)銀河。當(dāng)天文學(xué)家把康普頓望遠(yuǎn)鏡得到的伽馬射線源分布圖和其他觀測(cè)進(jìn)行比較的時(shí)候有了驚人的收獲。他們發(fā)現(xiàn)，那些身份不明的伽馬射線輻射源竟然是從星際塵埃聚集區(qū)域發(fā)射的！高能的宇宙射線與塵埃顆粒發(fā)生劇烈碰撞，激發(fā)出了這些伽馬射線。星際塵埃是恒星核聚變合成的碳、氧、硅等元素形成的固體顆粒，在恒星形成時(shí)被甩到了星際空間而已，它們總是伴隨著大量氫分子云。
這些星際塵埃聚集區(qū)既不在恒星周圍，也不在遠(yuǎn)離恒星的寒冷的宇宙空間，而是介于這兩者之間，因此，這里是一片既不太冷也不太熱的廣闊區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中，氫原子因溫度較低，沒有發(fā)出可觀測(cè)的輻射，也沒有一氧化碳分子幫忙指示，所以被天文學(xué)家忽略了。如今，天文學(xué)家根據(jù)伽馬射線輻射區(qū)的大小，推測(cè)出了這些區(qū)域氫分子云的數(shù)量。
星系之外的世界
不過，這個(gè)發(fā)現(xiàn)要填補(bǔ)失蹤的氫原子還是不夠的。天文學(xué)家再次在銀河系一遍遍搜索，但這次他們注定要大失所望，因?yàn)殂y河系每個(gè)角落都早已被他們掃遍了。那些失蹤的氫原子究竟躲到哪兒了呢？
有的天文學(xué)家認(rèn)為應(yīng)該去銀河中心區(qū)域?qū)ふ遥赡苡写罅康臍怏w被引力困在那里。還有的天文學(xué)家相信，那些氫原子可能飄到了銀河系外圍，那附近幾乎沒有恒星，也就沒有塵埃。而塵?？梢宰屛皆谏厦娴臍湓雍铣蓺浞肿?，少了它們的幫助，氫元素只能以冰冷稀薄的原子形態(tài)存在，很難通過射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，銀河系外圍確實(shí)存在一些延伸很遠(yuǎn)的氣體盤，算上氣體盤，星系中的氫可能要增加20%到50%。甚至還有人認(rèn)為，失蹤的氫原子可能孤獨(dú)地飄蕩在星系與星系之間的宇宙空間里。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，某些遙遠(yuǎn)星系中心的超大質(zhì)量黑洞發(fā)射出的x射線，在穿過星系之間的空間時(shí)消失了?？茖W(xué)家推測(cè)，吸收掉x射線的正是彌漫在星系之間的氫原子，只是其密度極低，每立方米的空間大約只有6個(gè)氫原子左右。
科學(xué)家如此千辛萬苦地搜查下來，才好不容易使銀河系氫原子的觀測(cè)數(shù)值與理論預(yù)測(cè)值吻合?？墒牵绻й櫟奈镔|(zhì)真是彌漫在星系之間的話，我們過去對(duì)星系演化的認(rèn)識(shí)恐怕也得改一改了。過去人們認(rèn)為星系成長都是通過碰撞合并，但如果星系之間還有很多氣體，星系就可以吸收周圍的星系際氣體自己長大了，這樣，過去的星系成長模型又得修改了，天文學(xué)家又有的忙了。
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