追蹤氫原子的演化與分佈
人們常說“天上的星星數不清”，但其實把天上的星星數清楚，對天文學家來說並不是什麼難事，非但如此，天文學家甚至有可能把宇宙中的原子數量一一數清。
給宇宙中的原子計數，聽起來是項不可能完成的繁瑣工作，其實並非如此。組成原子核的粒子是在137億年前的大爆炸之後誕生的，它們的數量首先可以通過大爆炸的理論模型推算出來。然後，我們可以通過觀測來驗證推算結果。
宇宙在大爆炸中誕生之後，首先出現的物質是大量的自由夸克和電子，隨著宇宙膨脹，溫度不斷降低，夸克們結合在一起形成了質子和中子。然後，除少量中子和質子又結合在一起成為了氦原子核，剩下的大量質子與充斥宇宙的自由電子結合，形成氫原子。此時宇宙中的物質有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。氦的數量雖然也不算少，但氫才是宇宙演化的主角，因為只有氫原子才能點燃那些璀璨的恆星。古老的氫氣體雲在自身引力的作用下，逐漸坍縮，形成了恆星和星系。第一代恆星質量巨大，在其核心中進行的氫聚變反應異常劇烈，所以它們會迅速燃盡自己，把一些氫原子加工成較重的元素。最終這些恆星在超新星爆發中毀滅，並把重元素散播進了星際空間。在這之後，新形成的恆星繼續著這樣的聚變過程，把氫鍛造成重元素。時至今日，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的行星，以及我們人類自己的身體。
雖然在地球上氧和硅等元素所佔的比例更大，但氫依然是宇宙中物質的主宰，它至今仍然佔有了宇宙全部可見物質的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%。現在大量的氫氣體雲還瀰漫在星際空間中，而恆星中真正參與了核聚變反應的也不過是核心中的少數氫。
天文學家可以追蹤氫原子們的百億年演化過程，找到氫原子們現在分佈在哪裡，推算出我們的銀河系應該分到了多少個氫原子。然而科學家通過天文望遠鏡觀測到的銀河系中氫原子數量與理論推算值嚴重不符，幾乎少了一半。這是怎麼一回事呢？
星系人口普查
在星系中，物質能躲藏的地方並不多。恆星基本不可能漏掉，現在光學望遠鏡非常強大，幾乎所有的恆星都逃不過它們的眼睛。至於星際間那廣闊無垠的空間，雖然那裡的氫原子密度僅有每立方米幾百個原子，幾乎就和真空一樣，但也並非難以觀測的。
首先，在恆星附近由氫原子組成的氣體雲，在被它們所環繞的恆星加熱後，會發出射電波段的輻射，使得天文學家可以利用射電望遠鏡來描繪出這些氣體在天空中的分佈情況。其次，那些遠離恆星的氫氣體雲觀測難度大些，雖然這裡的氫原子密度達到每立方米數萬億個，而且還大量收縮形成氫分子云，但在這樣恆星光芒無法照耀的星際空間裡，溫度極低，那些低溫的氫分子云不會穩定地發出射電或紅外輻射，所以不能直接被觀測到。不過，幸運的是，在氫分子云裡還能形成一氧化碳，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係，而一氧化碳分子是會發出射電輻射的。所以，就算我們不能直接看到氫分子云，根據觀測到的一氧化碳的量，也完全可以推測出那兒有多少氫分子。總而言之，以各種形式存在於恆星和星際空間中的氫原子的數量，天文學家都能一一把它們清點出來。
但即使把所有這些氫原子藏身的地方都清點出來，整個銀河系氫原子數目與理論預測值還是相差太遠。
漏查了星際塵埃
天文學家不得不承認，要想在小小的地球上找到銀河系所有氫原子的藏身之地，確實是件很困難的事。好在天文望遠鏡的功能越來越強大，它們有能力把銀河系再細細排查一遍。美國航天局的康普頓伽馬射線空間望遠鏡是當代世界上最先進的天文望遠鏡之一，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據。天文學家在分析這些觀測數據時，發現了許多身份不明的伽馬射線源，分佈遍及整個銀河。當天文學家把康普頓望遠鏡得到的伽馬射線源分佈圖和其他觀測進行比較的時候有了驚人的收穫。他們發現，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域發射的！高能的宇宙射線與塵埃顆粒發生劇烈碰撞，激發出了這些伽馬射線。星際塵埃是恆星核聚變合成的碳、氧、硅等元素形成的固體顆粒，在恆星形成時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既不在恆星周圍，也不在遠離恆星的寒冷的宇宙空間，而是介於這兩者之間，因此，這裡是一片既不太冷也不太熱的廣闊區域，在這個區域中，氫原子因溫度較低，沒有發出可觀測的輻射，也沒有一氧化碳分子幫忙指示，所以被天文學家忽略了。如今，天文學家根據伽馬射線輻射區的大小，推測出了這些區域氫分子云的數量。
星系之外的世界
不過，這個發現要填補失蹤的氫原子還是不夠的。天文學家再次在銀河系一遍遍搜索，但這次他們註定要大失所望，因為銀河系每個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？
有的天文學家認為應該去銀河中心區域尋找，可能有大量的氣體被引力困在那裡。還有的天文學家相信，那些氫原子可能飄到了銀河系外圍，那附近幾乎沒有恆星，也就沒有塵埃。而塵埃可以讓吸附在上面的氫原子合成氫分子，少了它們的幫助，氫元素只能以冰冷稀薄的原子形態存在，很難通過射電望遠鏡觀測到。天文學家發現，銀河系外圍確實存在一些延伸很遠的氣體盤，算上氣體盤，星系中的氫可能要增加20%到50%。甚至還有人認為，失蹤的氫原子可能孤獨地飄蕩在星系與星系之間的宇宙空間裡。天文學家發現，某些遙遠星系中心的超大質量黑洞發射出的x射線，在穿過星系之間的空間時消失了。科學家推測，吸收掉x射線的正是瀰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個氫原子左右。
科學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數值與理論預測值吻合。可是，如果失蹤的物質真是瀰漫在星系之間的話，我們過去對星系演化的認識恐怕也得改一改了。過去人們認為星系成長都是通過碰撞合併，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，天文學家又有的忙了。
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