--- url: /astro-front/lesson-5-cosmic-baryons/index.md --- ## The Composition of the Universe 宇宙由暗物质、暗能量和重子物质组成. 我们不能只研究暗物质和暗能量，实际上我们能够观测到的大多数都是重子物质，我们需要对它们有足够的了解. Most Baryons are still in gas phase in the local Universe, but the gas is not forming stars. > 按照时间，星系中的气体物质占比越来越小，但是气体物质一直都是占比最高的物质状态. 虽然我们观测到 $\text{H}$ 等元素的质量密度占比减少，但是我们的星体密度也在降低，所以这些气体并不是因为形成星体而减少. Q1：Why does gas stop forming stars？ 不同的星系类型： * Spiral Galaxies：盘状的星系，有旋臂，富有气体和尘埃. * Elliptical Galaxies：椭圆星系，含有比较古老的星体，气体比较少. * Irregular Galaxies：混沌的形状，富有气体和尘埃，一般是正在经历星体的形成. * Lenticular Galaxies：没有大型的旋臂，但是也是盘状的，只有少部分形成星体的气体. * Peculiar Galaxies：奇怪的形状和拓扑，一般是有复杂的引力作用或者是两个星系碰撞形成. Q2：What drives the diversity of galaxies？ 在大尺度上，星体的质量曲线和我们所预期的均匀分布不一样，而是在两端都有一个「feedback」现象. ![](https://vip.123pan.cn/1845440081/yk6baz03t0l000d7w33fsczsk48uatnaDIYxAIFxDda1DGxPDwUzAa==.png) 另外，我们找到大型螺旋星系中气体出现堆积现象 (accretion). feedback 和 accretion 效应给出了上面两个问题的一种可能答案，但是也产生了第三个疑问，Q3：How does gas shape galaxy evolution？ 一开始气体是球形聚集的，但是在引力作用下气体球逐渐收缩、角动量占据主导作用，将球形逐渐压缩为盘状，同时引力势能在这个过程中逐渐丢失，最后得到堆积在中心盘面上的大量气体、密度比之前高很多. 在星系演化过程中，气体不仅合成了星体，同时也是黑洞生长的重要燃料. 星体也在气体的循环过程中起到 feedback 作用. 老年的星体产生超新星爆炸等，将气体交还给星系；大型的爆炸给出一个巨大的球状气体晕，使得气体的分布回到早期星系的状态. 大型黑洞的作用更为强烈，它们的喷流可以给出很大的动能，使得气体获得能够逃出暗物质晕的速度，逃逸到宇宙空间. ![](https://vip.123pan.cn/1845440081/ymjew503t0l000d7w32xfg5llz7l6g8uDIYxAIFxDda1DGxPDwUzAa==.png) 上面三个问题的回答： Q1：气体要形成星体，我们需要引力、需要 collapse. 但是黑洞喷流、超新星爆炸，很多因素在阻碍气体的压缩. Q2：初始条件不同、形成过程中可能受到撞击等等，很多时候我们很难得到相同类型的星系. Q3：就像我们上面说的，「宇宙生态系统」中需要气体来进行循环. 但是我们现在遇到的问题是，星系正在丢失它们的重子. 这个问题和我们之前的三个 open question 是相关的：实际上并没有重子物质消失，而是被抛射到了我们无法观测的地方. ## Observations of Multiphase Diffuse Gas 我们在实际的观测中，需要用不同的方式来得到不同 phase 气体的信息. 虽然现在观测的误差比较大，但是我们还是获得了不少有用的信息. Cool Neutral Gas： > 我们使用大型的射电望远镜来观测冷原子气体，比如著名的天眼 (FAST). 这里的探测精度取决于著名的 Rayleigh 判据，正比于 $\lambda / D$. > > $\text{H I}$ (电离氢原子，也就是质子) 可以作为一个 galaxy and CGM interface 的追踪方式. > > 离子气体和冷原子气体有比较强的辐射，我们也可以使用无线电阵列来进行探测，实际上 FAST 周围也将要建造很多小型的射电望远镜. 对于冷离子气体，可以通过光谱来检测；另一个方式是我们所说的 Integral Field Spectrograph in Optical (集成视场摄谱仪)，它通过将画面分割、分别采集光谱、最后积分合成的方式得到比较精确的图像. hot gas 会产生 X-ray，我们能够用这种方式探测温度较高的气体. *** 子弹星系团的形成？ > 对于大型的星系团，在它们相互碰撞时，暗物质会相互穿过；但是气体会 collapse，和暗物质的行为不太一样，这是暗物质存在的证据. 我的问题：如果这些抛射的重子物质被其他气体团的引力所吸引，那么之后还是会回到星系体系中，这里的所有重子物质都应该是守恒的，观测上不应该说「重子物质消失了」才对. > 注意，我们在大尺度上还有暗能量，宇宙正在越来越被暗能量所主导，在加速膨胀的环境下，抛射出的重子物质不一定有机会回到星系中. 这正是我们说「重子物质消失」的原因.