《物理评论快报》的一项新研究首次探测到宇宙剪切和弥散X射线背景之间的互相关性，有助于了解宇宙中重子物质的分布。

重子物质(由质子和中子组成)约占宇宙的5%，在恒星、行星和星系等宇宙结构的形成中起着至关重要的作用。它包含着理解宇宙大尺度结构的宝贵信息。

重子物质在暗物质的引力作用下被吸入暗物质的浓缩区域，称为暗物质晕。在这些晕中，重子物质以浓缩形式(如恒星和星系)或弥散形式(如热气体)存在。

由于扩散气体的复杂相互作用和暗物质的影响，检测两种形式的重子物质都很困难。

牛津大学的TassiaFerreira博士及其同事在他们的PRL研究中调查了重子物理学对宇宙学测量的影响。为此，他们专注于结合来自两个观测源的数据。

费雷拉博士向Phys.org讲述了探索重子物质本质的历程。“我一直热衷于通过观察的视角研究宇宙，”费雷拉博士说道。

“在我的大部分研究生涯中，我都在研究宇宙剪切，在牛津，我找到了使用弱透镜数据进行互相关的专家。因此，推动互相关来结合直觉上应该有联系但尚未被检测到的效应是有意义的。”

重子物质分布

对于宇宙剪切测量(提供有关浓缩重子物质的信息)，研究人员依赖暗能量调查第三年(DESY3)的数据发布。

这些数据包含星系、星系团和其他宇宙结构的图像和测量数据。

暗物质的引力会扭曲背景星系的形状。宇宙剪切力通过观察暗物质如何扭曲背景星系的形状来间接测量暗物质的分布。

它不能直接洞察重子物质，但有助于推断暗物质对重子物质的影响。

暗物质晕中热气体中的重子物质在引力作用下加热，发出X射线辐射。这些X射线数据可用于追踪热气体中重子物质的分布。

研究人员通过ROSAT全天空巡天(RASS)获得了数据。该巡天由ROSAT卫星于1990年和1991年进行，提供了整个天空的广阔X射线视图。

“半路”群众

两组数据的相互关联具有多种优势。费雷拉博士解释说：“暗物质晕中热气体的X射线发射受气体温度和密度控制。”

“这种依赖性使其成为追踪气体分布情况的理想选择。由于宇宙剪切对重子效应的错误建模最为敏感，因此互相关提供了一种打破退化的一致方法。”

此外，互相关信号来源于所有大规模结构的集体发射，因此它对单个物体建模的错误不太敏感。

研究人员利用早期研究开发的流体动力学模型，模拟了光晕中的质量和气体分布情况。该模型考虑了冷暗物质、重力束缚气体、喷出气体和恒星。

费雷拉博士说：“根据X射线的观测，束缚气体的分数可以通过宇宙重子分数(与宇宙总物质含量相关的重子数量)、晕的总质量、‘半程质量’和热气体向小晕质量抑制的斜率来参数化。”

“X射线观测非常适合探测这个量，因为它们可以追踪结合气体。”

暗物质晕的半质量是指晕中原有气体的一半被排出。该值衡量了因恒星形成或黑洞等过程而导致的气体损失程度。

该研究对半量质量的限制对于理解宇宙结构如何随时间损失气体以及这种损失如何影响宇宙结构做出了重大贡献。

重要意义和未来工作

数据集的互相关性凸显了宇宙剪切和弥散X射线背景之间的显著相关性。

23σ(西格玛)显著性表明这种相关性具有高度统计显著性，表明两个数据集之间存在很强的关系。这一结果使他们的发现的稳健性毫无疑问。

研究人员估计暗物质晕的一半质量约为115万亿太阳质量。

除了半数质量之外，研究人员还能够限制多方指数，该指数用于测量暗物质晕中热气体的温度和密度之间的关系。

估算的多方指数值与过去的研究结果一致。与早期的宇宙剪切和X射线数据相比，新的约束更严格、更精确。

该研究除了能更清晰地展现宇宙中的物质分布之外，还为评估暗物质和暗能量相关理论提供了新方法。

费雷拉博士说：“所开发的程序是使用宇宙剪切和弥散X射线背景图之间的互相关进行更严格分析的起点。这对于未来的弱透镜调查尤其重要，例如维拉鲁宾天文台和欧几里得正在进行的X射线任务，如eROSITA，它们试图从大规模结构数据中获得更精确的宇宙学约束。”

展望未来，费雷拉博士看到了无数基于他们的研究成果的可能性，特别是在将开发的方法用于宇宙学分析之前验证理论模型。

她总结道：“此外，考虑到它们对气体密度和温度的互补敏感性，可以通过与Sunyaev-Zel'dovichCompton-y图进行互相关来打破宇宙学和流体动力学参数之间的残余简并性。”

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