潛伏在宇宙中的暗物質從何而來?新理論認為或由宇宙氣泡形成

2020-12-02 前瞻網

潛伏在宇宙中的暗物質從何而來？新理論認為或由宇宙氣泡形成

 Emma Chou • 2020-11-05 18:06:29　來源：前瞻網　E2035G0

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一項新的研究表明，早期宇宙中膨脹的宇宙氣泡可能導致了現在大量的暗物質，這種難以捉摸的物質牽引著恆星，但卻不發光。

10月9日發表在《物理評論快報》雜誌上的這一理論，或許能準確解釋暗物質是如何從早期宇宙的熾熱湯中濃縮出來的。自從天文學家弗裡茨·茲威基在1933年首次提出暗物質的存在以來，大量的觀測證據已經表明，某些東西潛伏在暗處，我們的眼睛甚至最新的科學儀器都看不見。暗物質通過對天文學家觀測到的可見恆星和星系施加的引力留下了它的指紋。這種引力的大小使科學家能夠估計暗物質在宇宙中所佔的比例。目前的估計表明，這種暗物質佔宇宙質量的80%。

「雖然我們知道我們的宇宙中有多少暗物質，但幾十年來，我們一直對暗物質的性質和起源感到疑惑。」研究合著者Andrew Long說，他是休斯敦萊斯大學的物理學助理教授。「暗物質是基本粒子的集合嗎?如果是的話，這些粒子的性質是什麼，比如它們的質量和自旋?這些粒子施加了什麼力，它們經歷了什麼相互作用?暗物質是什麼時候產生的，在它的形成過程中什麼相互作用起了重要作用?」 

Long和澳大利亞墨爾本大學的物理學家Michael Baker，以及德國美因茨約翰內斯古騰堡大學的Joachim Kopp想要回答最後一個問題：暗物質是什麼時候以及如何形成的？他們研究了宇宙形成的最早階段，Long說，也就是大爆炸開始後一納秒的一小段時間，一個粒子產生和毀滅的「西部荒野」，粒子在它們形成時就相互碰撞和湮滅。在那個時候，宇宙是由極其高能量的基本粒子組成一鍋熾熱的湯，類似於物理學家在當今最大的粒子加速器中創造的夸克膠子等離子體。這鍋原始湯的溫度和密度高得難以想像，而且太過混亂，無法形成更多有序的亞原子粒子，比如質子和中子。 

但是這場混亂並沒有持續太久。宇宙開始膨脹後，等離子體逐漸冷卻，新粒子的產生也停止了。與此同時，粒子之間的距離越來越遠，它們之間的碰撞速度直線下降，直到它們的數量保持不變。遺留下來的粒子被科學家們稱為「熱遺蹟」，並成為我們今天所熟知和喜愛的物質，比如原子、恆星，最終還有人。Long 表示，「除了現在已知的所有基本粒子，我們有理由想像在早期宇宙中存在其它粒子，比如暗物質。」

科學家們相信，這些假設的粒子今天也可能作為「熱遺蹟」存在。在新的研究中，研究小組假設，在大爆炸後的幾分之一秒內,等離子體經歷的相變，就像現在物質從一種狀態轉移到另一種狀態一樣，例如，一壺沸水中產生水蒸氣氣泡，或者蒸汽冷卻下來形成水滴。

在這種情況下，冷卻等離子體的氣泡在早期宇宙沸騰的湯中突然形成。這些氣泡膨脹和合併，直到整個宇宙過渡到一個新的階段。

Long說:「當這些液滴在宇宙中膨脹時，它們就像過濾器一樣，把暗物質粒子從等離子體中過濾出來。」「通過這種方式，我們今天在宇宙中測量到的暗物質的數量，是大爆炸後一秒內過濾的直接結果。」 

這些氣泡的壁將成為屏障。只有大質量的暗物質粒子才有足夠的能量穿過膨脹的氣泡到達另一邊，並從湮滅較輕粒子的蠻荒西部逃脫。這將過濾掉低質量的暗物質粒子，並可以解釋今天觀測到的大量暗物質。

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暗物質的主要候選者之一是弱相互作用大質量粒子(WIMPs)。這些假設的粒子將比質子重10到100倍，但它們只能通過兩種基本的自然力與物質相互作用：引力和核弱力。它們像幽靈一樣穿過宇宙，可以解釋像茲威基這樣的天文學家在近一個世紀前首次發現的失蹤暗物質。

對WIMPs的研究促使物理學家們在地下深處建造了巨大的、最先進的探測器。但是，儘管對這些難以捉摸的粒子進行了數十年的探索，仍然沒有發現任何粒子。這使得科學家們近年來開始尋找其它暗物質粒子的競爭者，它們要麼比WIMPs更輕，要麼比之更重。 

「關於[我們的研究]這個想法的一個令人興奮的方面是，它對暗物質粒子有效，這些粒子比大多數其它候選粒子都重，比如著名的WIMPs，過去的大多數實驗搜索都集中在這些粒子上。」Kopp，這篇論文的合著者，在一次採訪中說。「因此，我們的工作推動了對暗物質的研究向更大質量的方向擴展。」

他們的工作也為未來的其它項目打開了探索暗物質的道路，比如雷射幹涉太空天線(LISA)，這是一組橫跨數百萬英裡的太空探測器，旨在探測太空中引力波的波紋。

Long說，如果和同事們設想的宇宙氣泡在宇宙早期存在的話，它們可能已經通過引力波留下了可探測的指紋。兩個氣泡壁碰撞產生的部分能量可能會產生引力波，供未來的實驗檢測。

該團隊計劃擴大研究，以了解更多關於暗物質與這些氣泡壁相互作用時會發生什麼，以及氣泡碰撞時會發生什麼。「我們知道暗物質在那裡，但我們不知道很多其他的。」 Baker說，「如果這是一種新的粒子，那麼我們很有可能在實驗室中檢測到它。然後我們就可以確定它的屬性，比如它的質量和相互作用，並了解關於宇宙的一些新的、更深入的東西。」

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：

https://www.livescience.com/new-dark-matter-theory.html

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