空间科学研究方向介绍：寻找失踪的重子物质
这里，我们将以科学问题“寻找失踪的重子物质”为例来介绍一个我国的空间科学研究方向。
如前所述，我们在宇宙中能够观测到的普通物质总量（泛称为“重子物质”）只占总量的5%左右。这是基于我们对于早期宇宙的一系列观测所得出的结论。这些观测包括宇宙大爆炸后的核合成、宇宙微波背景辐射，以及对于早期宇宙的所谓莱曼森林吸收线（存在于星系际介质内的中性氢在遥远类星体的光谱上所产生的吸收线）观测。
然而，在1998年的一篇经典论文里，美国普林斯顿高等学术研究所和日本东京大学的Fukugita以及Hogan和Peebles发现，将所有能观测到的重子物质加在一起，所观测的重子物质只有早期宇宙的一半左右⑤。这就是著名的“失踪的重子”问题，也是在最近一二十年国际天文的研究热点之一。
近年来，一系列的理论研究和数值模拟计算表明，除了少部分组成星系和星系团介质的重子，绝大多数宇宙中的重子存在于星系际介质中。星系际介质追踪了冷暗物质的大尺度结构，是星系、恒星、行星，以及最终所有生命的形成的最原始材料。
在早期宇宙中，星系际介质分布比较均匀；随着时间的演化，形成了大尺度结构的“宇宙网”（Cosmic Web）。由细条状结构的引力塌缩所释放的能量将气体加热到比较高的温度（从几十万度到几千万度）。原来在早期宇宙里占重子主导的莱曼森林线迅速变薄，星系际介质中的热成分变得重要起来。在红移为零处有30%～50%的星系际介质是高温的，略少些的（大概30%～40%）存留在被光致电离的莱曼吸收线丛气体中。在如此高温下，气体的辐射性质决定了这些物质只可能在紫外和X射线波段被观测到，由此也决定了探测失踪的重子物质只可能由空间望远镜来实现。
另外一个失踪的重子问题存在于较小的、星系的尺度上，又称为“失踪的星系重子”问题。
在过去三十年中，由标准的宇宙学常数加冷暗物质模型框架下构建的星系演化理论取得了极大的成功。它很好地解释了诸如星系光度函数演化等问题。在这个模型下，大尺度结构呈等级式成团演化（hierarchical structure formation），在成团（clustering）的每一个阶段，暗物质会首先塌缩形成晕（halo）结构，被暗物质晕引力势场所约束的气体会随后收缩、冷却，形成星系、恒星等结构。可是，随着最新观测的发展，这个理论也面临着一系列严重的挑战。其中最重要的问题之一就是“过度冷却”（over-cooling）。
在最早、也是目前标准的星系模型预言中，从星系际介质中吸积的气体被激波加热后会迅速冷却，形成可观测的恒星以及星际介质等物资。可是当前对银河系及邻近星系的观测表明，这些可探测的物质最多只有星系模型预言的一半，构成了所谓的“过度冷却”。这个模型同时也过高预言了星系的X射线光度。搜寻这些“失踪”的气体是当前星系演化研究最前沿的课题之一。因为这些气体主要是由重子组成，所以又称之为“失踪的星系重子之谜”。
一种有可能的解决方案是在星系形成和演化过程中，获得星系核反馈或恒星反馈作用会产生强烈的星系风（galactic wind）。在星系风的作用下，一半左右的星系内的气体会被吹出星系，成为星系际介质。虽然星系风在观测中已被证实，但它们的作用究竟有多大还有待观测。这个方案的一个较为明显的困难就是它很难解释在银河系等星系中恒星的持续形成。目前的观测表明，在银河系中恒星形成速率大约是每年一个太阳质量。如果星系中约一半左右的气体被吹出，剩余的气体是无法保持目前这种恒星形成速率的。另外一个问题就是最近的数值模拟表明，较强的星系风会阻碍形成星系盘的结构。
另外一个方案是多相气体冷却模型(multi-phase cooling)。在这个模型中，有大量的热气体存在于星系晕中。这些热气体由于热不稳定性会分离（fragmentation）从而快速冷却，形成高密度的气体云，落入银盘来提供目前观测到的银河系中恒星的持续形成。而剩余的热气体由于密度很低，它们冷却时标会长于哈勃时标，所以不会过度冷却。在这个方案下，大量低密度、高温气体（约为几百万度）存在于星系的外围。同样，这些热气体也只可能在紫外和X射线波段被观测到，由此也决定了探测失踪的星系重子物质只可能由空间望远镜来实现。
为了搜索这些失踪的重子物质，以及验证目前标准宇宙学模型所预言的“宇宙网”结构，我国以南京紫金山天文台为主的科研人员正在研制一台空间紫外望远镜，来探测这些重子物质的光谱信号。国内包括厦门大学、中国科技大学等在内的一批高校和中科院科研机构也参与研制工作。该望远镜将包括若干个大视场、高空间分辨率的窄波段成像相机，同时对位于宇宙网内的氢原子和氧离子谱线成像。预期在2020～2025年之间发射上天并开展工作。
