神秘的“暗大爆炸”可以解釋暗物質(zhì)的起源

多虧了重力，至少我們知道暗物質(zhì)存在。我們也知道它非常豐富，約占宇宙中所有物質(zhì)的 85%。

不過(guò)，除此之外，我們一無(wú)所知。我們不知道暗物質(zhì)是什么，也不知道它來(lái)自哪里，如果它是由某種弱相互作用的物質(zhì)組成的，我們?nèi)匀粺o(wú)法直接探測(cè)到它的單個(gè)粒子。

根據(jù)美國(guó)科爾蓋特大學(xué)兩名研究人員的一項(xiàng)理論研究，即使使用更新的、高度敏感的探測(cè)方法，我們也一直無(wú)法揭開(kāi)暗物質(zhì)的面紗，這讓我們需要重新思考這種神秘物質(zhì)的性質(zhì)和潛在起源。

而不是從Big Bang該研究的作者寫(xiě)道，與普通重子物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)可能在它自己的“暗大爆炸”中出現(xiàn)得稍晚一些。它現(xiàn)在可能居住在一個(gè)黑暗的區(qū)域，大部分與我們的可見(jiàn)區(qū)域分離，僅通過(guò)重力相互作用。

到目前為止，引力已經(jīng)告訴我們我們對(duì)暗物質(zhì)知之甚少。我們稱之為幽靈般的物質(zhì)黑暗物質(zhì)，因?yàn)樗慌c光或其他電磁輻射相互作用，因此我們看不到它。

然而，考慮到暗物質(zhì)對(duì)星系和星系團(tuán)的引力影響——再加上其他線索，比如它對(duì)宇宙背景輻射的影響——我們有強(qiáng)有力的證據(jù)證明暗物質(zhì)存在。我們只是對(duì)幾乎所有其他事情一無(wú)所知，包括它是什么以及它來(lái)自哪里。

對(duì)暗物質(zhì)的搜尋主要集中在弱相互作用的大質(zhì)量粒子或 WIMP 的 WIMP 中。這些假設(shè)的基本粒子將通過(guò)兩個(gè)四大基本力量：重力和弱核力（但不包括電磁力或強(qiáng)核力）。

幾十年的搜索沒(méi)有得到 WIMP 存在的確認(rèn)，這讓它們的吸引力稍微減弱了，并將更多的科學(xué)興趣轉(zhuǎn)移到了對(duì)暗物質(zhì)的其他可能解釋上。

“隨著 WIMP 繼續(xù)逃避檢測(cè)，考慮與可見(jiàn)光扇區(qū)高度解耦的暗扇區(qū)變得越來(lái)越重要?！?a>寫(xiě)這項(xiàng)新研究的作者、物理學(xué)家 Cosmin Ilie 和本科生研究員 Richard Casey。

2023 年，另外兩名研究人員——德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 Katherine Freese 和 Martin Winkler——提出一個(gè)有趣的理論：也許暗物質(zhì)是在第二次大爆炸中與最初的宇宙膨脹分開(kāi)形成的，他們稱之為暗大爆炸。

這將挑戰(zhàn)許多科學(xué)家目前設(shè)想這個(gè)關(guān)鍵時(shí)代的方式，宇宙中的所有物質(zhì)和輻射（包括暗物質(zhì)，無(wú)論它是什么）都來(lái)自同一物理學(xué)領(lǐng)域。

然而，根據(jù) Freese 和 Winkler 的說(shuō)法，暗大爆炸與暗物質(zhì)的證據(jù)是一致的——只要它迅速發(fā)生，在第一次大爆炸后的大約一個(gè)月內(nèi)。

在這種情況下，暗物質(zhì)粒子是由僅耦合到暗或隱藏扇區(qū)的量子場(chǎng)的衰變產(chǎn)生的;超出我們當(dāng)前物理學(xué)知識(shí)的假設(shè)粒子和力的集合。

黑暗大爆炸將釋放一階宇宙學(xué)相變在暗區(qū)，與第一次大爆炸后我們的可見(jiàn)光區(qū)所經(jīng)歷的現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)變變化相媲美，宇宙大爆炸將真空能量轉(zhuǎn)化為輻射和粒子的熱等離子體。

在他們的新研究中，Ilie 和 Casey 更深入地研究了這個(gè)想法，探索了它的可行性，并測(cè)試了一系列適合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不同暗大爆炸場(chǎng)景。

他們的工作有助于加強(qiáng) Freese 和 Winkler 提出的情況，不僅證實(shí)了黑暗大爆炸的可能性，而且全面評(píng)估了此類事件可能展開(kāi)的方式范圍。

在他們的發(fā)現(xiàn)中，Ilie 和 Casey 揭示了一系列以前未被檢驗(yàn)過(guò)的暗物質(zhì)誕生的潛在參數(shù)。他們還列出了進(jìn)一步測(cè)試這一概念的選項(xiàng)，包括可能存在可檢測(cè)的痕跡——例如引力波– 被這些情景拋在后面。

“探測(cè)暗大爆炸產(chǎn)生的引力波可以為這種新的暗物質(zhì)理論提供關(guān)鍵證據(jù)，”Ilie說(shuō).

他指出，雖然暗物質(zhì)似乎不太可能輕易透露它的秘密，但有理由樂(lè)觀地認(rèn)為我們將解開(kāi)這個(gè)宇宙之謎。

“以目前的實(shí)驗(yàn)，比如國(guó)際脈沖星時(shí)序陣列 （IPTA） 和平方公里陣列 （SKA） 即將推出，我們可能很快就會(huì)擁有以前所未有的方式測(cè)試此模型的工具，“Ilie說(shuō).

例如，NANOGrav 研究合作（IPTA 的一部分）的研究人員在 2023 年宣布，他們發(fā)現(xiàn)了引力波背景在宇宙中。

Ilie 和 Casey 說(shuō)，這可能有助于測(cè)試暗大爆炸的概念，為進(jìn)一步的研究奠定基礎(chǔ)，最終可能會(huì)對(duì)暗物質(zhì)有所了解。

該研究發(fā)表在物理評(píng)論 D.

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