想象一下，宇宙是一片巨大的、隐形的海洋。几十年来，天文学家一直试图计算这片海洋中的“水”——即由原子、恒星和行星组成的普通物质，也被称为重子。我们根据大爆炸的余晖和早期宇宙的配方，非常清楚应该有多少“水”。但当我们环顾四周时，只能在星系、星系团及其周围旋转的气体中发现大约 18% 的水。另外 53% 的水存在于星系之间温暖而稀薄的雾气中。这使得宇宙中还有高达 30% 的普通物质完全失踪了。这就像是按照一个需要两杯面粉的食谱去烤蛋糕，但当你称量做好的蛋糕时，却只发现了相当于一个半杯的面粉。剩下的部分去哪儿了？科学家怀疑，缺失的成分隐藏在一种弥散的、超热的、电离的气体中，这种气体太微弱了，无法被直接观测。为了解开这个谜团，研究人员正在使用被称为“快速射电暴”（FRBs）的宇宙“信使”。这些是来自深空的短暂而强烈的射电波闪烁。当它们向地球传播时，会穿过这些隐形的气体，气体会对射电波的不同颜色产生不同程度的减速。这种信号的“拉伸”现象被称为色散，它就像一把宇宙标尺，能告诉我们信号穿过了多少气体。
在这项新研究中，一个研究小组利用最新一批 124 个定位明确的快速射电暴，终于得以窥见这层缺失的气体。可以将这些爆发想象成 124 把穿过宇宙海洋的闪光灯。通过测量每个闪光灯信号被“拉伸”的程度，并减去我们银河系以及爆发源头星系中已知的气体量，科学家们就能分离出星系间空间中的气体量。他们针对三种关于宇宙如何膨胀和运行的模型进行了测试，其中包括一些认为驱动宇宙扩张的力量（暗能量）可能会随时间变化的模型。结果令人震惊：数据有力地表明，缺失的重子确实隐藏在这种弥散的、电离的气体中。事实上，这项研究发现，宇宙中超过 90% 的所有普通物质都存在于这种隐形的、炽热的雾气中。虽然研究人员无法证明气体的量是否随着宇宙年龄的增长而变化，但他们确实证实了那些“失踪”的物质并非真的失踪了——它们只是非常难以被看见。这一发现为数十年之久的“缺失重子问题”提供了一个强有力的解决方案，证实了宇宙中充满了我们预期的物质，只是它们正隐藏在众目睽睽之下。
技术摘要：利用 124 个局部化快速射电暴约束河外弥散电离气体的重子比例
问题陈述
“缺失重子问题”仍然是宇宙学中的一个重大挑战。虽然宇宙微波背景（CMB）和宇宙学 BBN（大爆炸核合成）的测量表明，重子物质约占宇宙能量预算的 5%，但观测到的塌缩结构（星系、星系团）和温热星际介质（WHIM）仅能解释其中约 70% 的预期含量。剩余的约 30% 被假设存在于弥散的星际介质（IGM）中，但一直难以被直接探测。快速射电暴（FRB）为解决这一问题提供了有前景的工具，通过测量色散量（DM），可以编码沿视线方向的电离重子积分柱密度。然而，以往使用 FRB 进行的分析依赖于对宇宙学色散量分量（DMcos）的概率密度函数（PDF），这些函数可能无法准确还原宇宙学模拟，从而可能引入系统偏差，进而影响推断出的重子比例（fd）。
方法论
本研究利用 124 个局部化 FRB 的样本（包括 115 个来自之前的汇编以及 9 个新事件）来约束 fd，即弥散电离气体相中的重子比例。该分析采用联合似然方法，结合了 FRB 数据与互补的宇宙学探针：PantheonPlus Ia 型超新星（SN Ia）样本、暗能量光谱仪（DESI）重子声学振荡（BAO）数据以及 Planck CMB 测量。
关键方法论特征包括：
- 改进的 DMcos PDF：不同于以往研究中使用带有幂律尾部的修正正态分布（如 [75] 中提出的），本研究采用了源自 IllustrisTNG 模拟的 DMcos PDF [82]。这种新形式包含了一个此前被忽略的关键归一化因子（1/⟨DMcos⟩），该因子的缺失已被证明会导致超过 1σ 的系统偏差。用于控制该分布形状的参数（α,β,σd）是通过拟合 53 个红移切片的模拟数据并插值到 FRB 样本中得到的。
- 宇宙学框架：分析允许所有宇宙学参数自由变化，测试了三种模型：ΛCDM、wCDM 以及动力学暗能量 w0waCDM 模型。由于最近的 DESI BAO 数据倾向于动力学暗能量，因此优先考虑后者。
- 分量建模：总观测到的 DM 被分解为银河系星际介质（ISM）的贡献、银河系晕（DMhalo）、宿主星系的贡献（DMhost）以及河外星际介质（DMcos）。
- DMhalo 使用基于不同文献约束的两个截断正态分布进行建模（N(65,152) 和 N(35,152)）。
- DMhost 最初使用源自 IllustrisTNG 模拟的参数进行建模，随后进行的二次分析将宿主分布参数视为自由变量。
- 系统误差检查：研究调查了重子反馈强度（使用替代的对数正态 PDF 建模 DMcos）、DM 选择效应（使用 Sigmoid 选择函数）以及 fd 的红移演化（参数化为 fd(z)=fd,0(1+α1+zz)）的影响。
主要贡献与结果
- 高重子比例：在恒定 fd 模型下，分析发现超过 90% 的重子存在于弥散电离气体相中。具体而言，对于 N(65,152) 晕模型，在 ΛCDM 下 fd>0.967 (68% CL)；对于 N(35,152) 模型，fd>0.986。
- 对暗能量的鲁棒性：fd 的约束对于暗能量参数化的选择（ΛCDM、wCDM、w0waCDM）具有鲁棒性。虽然宇宙学参数（如 H0 和 Ωm0）在不同模型之间会有轻微偏移，但推断出的 fd 保持一致。
- 无显著红移演化：数据并未显示出 fd 存在统计学意义上的显著红移演化。演化参数 α 与零一致，其上限为 α<0.06（取决于晕模型）。作者指出，这些约束目前受限于 FRB 样本的红移分布，该分布集中在 z<1。
- 系统不确定性：主要的系统不确定性来自于所假设的银河系晕和宿主星系 DM 分布。
- 假设较小的 DMhalo 会导致推断出的 fd 值系统性升高。
- 当允许宿主星系参数自由变化（而非固定为模拟预测值）时，推断出的 fd 会略微下降（约 0.02–0.03），且对特定晕模型的依赖性降低，尽管统计不确定性也随之增加。推断出的宿主 DM 参数表明，IllustrisTNG 可能低估了非重复 FRB 的宿主贡献。
- 反馈与选择效应：结果对于所采用的重子反馈参数（通过对数正态 PDF 建模时）以及包含简单 DM 选择函数的做法均不敏感。
意义
该论文声称提供了强有力的证据，证明大多数“缺失重子”存在于弥散电离星际介质中。通过使用更准确的、与宇宙学模拟一致的 DMcos PDF 并修正了先前的归一化误差，本研究对重子比例给出了更精细的约束。fd>0.9 的结果与独立的近期约束（例如 Connor 等人 [28]）一致，并支持了缺失重子位于温热星际介质（WHIM）中的理论图景。这项工作强调，虽然目前的 FRB 数据可以稳健地约束总重子比例，但未来若要改进对 fd 红移演化的约束并减少与宿主星系及晕相关的系统不确定性，则需要具有更好红移覆盖范围的更大样本量。
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