新理論認為宇宙氣泡可能製造了暗物質

2020-11-05 新浪探索

　　一項新的研究表明，在我們早期宇宙中膨脹的宇宙氣泡可能製造了目前大量的暗物質。這種難以捉摸的物質會拉拽恆星，但本身卻不會發光。

　　這項新研究發表於10月9日的《物理評論快報》。新研究或可確切地解釋，暗物質從早期宇宙熱湯中凝結出來的方式。自從1933年天文學家弗裡茨·茲威基首次提出暗物質的存在以來，大量的觀測證據表明，黑暗中躲藏著一些東西，不僅肉眼看不見，甚至最先進的科學儀器也看不到。我們只能從暗物質施加於天文學家所能觀測到的恆星和星系上的引力牽引，來尋得暗物質的蛛絲馬跡。這種引力的量級可以讓科學家估算出宇宙中暗物質的百分比；當前估算顯示，暗物質佔到了宇宙質量的80%。

　　研究的共同作者、休斯頓萊斯大學物理學助理教授安德魯·朗說：「儘管我們知道宇宙中包含多少暗物質，但數十年來，我們一直不太清楚暗物質的性質和來源。暗物質是基本粒子的集合嗎？如果是的話，這些粒子又具有怎樣的性質？比如它們的質量和自旋？這些粒子會施加什麼力，以及它們之間存在怎樣的相互作用？暗物質是什麼時候形成的，在它們的形成過程中，相互作用又起到了怎樣的重要作用？」

　　澳大利亞墨爾本大學的物理學家麥可·貝克、德國美因茨大學的物理學家約阿希姆·柯普，以及朗，希望回答這最後一個問題——暗物質是什麼時候以及如何形成的。朗說，他們研究了宇宙形成的最早時期，也就是大爆炸開始後不到一毫微秒的那一瞬間，即粒子形成與湮滅的「狂野西部」時間。在此期間，粒子剛一形成就互相碰撞、湮滅。彼時，宇宙是極高能量的基本粒子構成的熱湯，類似於今天的物理學家在大型粒子加速器中製造的夸克膠子電漿。這種原始湯異常炙熱稠密，而且無比混亂，更為有序的亞原子粒子如質子和中子根本無法形成。

　　但是這一宇宙的「狂野西部」時代並沒有持續太久。宇宙開始膨脹後，等離子體逐漸冷卻，新粒子的產生戛然而止。與此同時，粒子間彼此分開，碰撞速度驟然下降，直至粒子數量保持不變。科學家將留存下來的粒子成為「熱殘存粒子」。這些熱殘存粒子隨後變成了如今我們所知所愛的物質，如原子、恆星，甚至我們人類自己。「除了今天已知的所有基本粒子之外，我們有理由去想像，宇宙早期還存在一些其他的粒子，比如暗物質，」朗說。

　　科學家們相信，這些假設的粒子可能也以熱殘存粒子的形式存在於今日。在這項新的研究中，研究團隊假設，在大爆炸之後的瞬間，等離子體經歷了一次相變，該相變類似於物質從一種狀態轉變到另一種狀態時所發生的情況，例如沸騰的水壺中形成的水汽泡，或者蒸汽冷卻後形成水滴等。

　　在這種情況下，冷卻的等離子體氣泡在早期宇宙熱湯中突然形成。這些氣泡膨脹又合併，直至整個宇宙進入下一個新階段。

　　「當這些氣泡在整個宇宙中膨脹時，它們就像過濾器一樣，將暗物質從等離子體中篩選出來，」朗說，「通過這種方式，我們當今在宇宙中測量到的暗物質數量就是大爆炸後一瞬間，該過濾過程的直接結果。」

　　這些氣泡壁會成為屏障。只有大質量的暗物質粒子才具有足夠多的能量，可以穿越氣泡的屏障進入到膨脹的氣泡內部，從而躲過「狂野西部」。而其他較輕的粒子則在這期間湮滅。這可以過濾掉低質量的暗物質粒子，並解釋當今觀察到的大量暗物質。

　　暗物質最有希望的候選者之一是大質量弱相互作用粒子（WIMPs）。這些假設的粒子質量可以達到質子的10倍至100倍，但它們僅通過兩種基礎自然力量——引力和弱核力——與物質產生相互作用。它們像幽靈一般穿過宇宙，這也可以解釋天文學家們（如茲威基）在近一個世紀前首次注意到的暗物質緣何神秘消失。

　　為尋找WIMPs，物理學家們在地底下建造了巨大的先進探測器。但是，儘管這數十年來人們一直在尋找這些神秘的粒子，我們仍一無所獲。這使得近年來，科學家開始尋找比WIMPs更輕或更重的其他暗物質粒子候選者。

　　「我們的研究創意中一個比較令人期待的地方是，它適用於比其他大多數候選者（比如著名的WIMPs）都來得重的暗物質粒子。過去，大多數研究都集中在尋找WIMPs上，」研究的共同作者柯普說，「因此，我們的研究可以促使暗物質的搜尋範圍向更重的粒子領域拓展。」

　　這項研究還可以為其他未來項目提供尋找暗物質的機會，比如雷射幹涉儀空間天線（LISA）。LISA是一系列跨越數百英裡的太空探測器，旨在探索宇宙中的引力波漣漪。

　　如果朗和他的同事設想的宇宙氣泡確實存在於宇宙早期，它們可能會通過引力波留下可檢測到的痕跡。兩個氣泡壁碰撞產生的一部分能量，或許會形成日後實驗中可以檢測到的引力波。

　　該研究團隊還計劃擴大他們的研究範圍，以更多地了解暗物質與氣泡壁相互作用時會發生什麼，以及氣泡什麼時候發生碰撞。「我們知道暗物質就在那裡，但除此之外一無所知，」貝克說，「如果這是一種新粒子，那麼我們也許會有很大機會，可以在實驗室中檢測到它。然後，我們可以確定它的性質，比如質量和相互作用，並進一步了解宇宙。」（勻琳）

相關焦點

  • 新研究:宇宙初期氣泡可能製造了暗物質
    暗物質是瑞士天文學家茲威基（Fritz Zwicky）最早在1933年提出的概念，認為宇宙中存在不僅肉眼看不到，用現在先進的儀器也觀測不到的一類物質，而且這種物質在宇宙中所佔的比例相當大。現在主流的模型都認為，宇宙中高達80%的物質都是暗物質。可是這套理論發展到這裡一直還沒有見到突破性的進展。
  • 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
    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　E10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。
  • 《物理評論快報》：新研究表明早期宇宙中膨脹的氣泡可能製造了大量的暗物質
    《物理評論快報》：新研究表明早期宇宙中膨脹的氣泡可能製造了大量的暗物質（神秘的地球uux.cn報導）據新浪科技（勻琳）：國外媒體報導，一項新的研究表明，在我們早期宇宙中膨脹的宇宙氣泡可能製造了目前大量的暗物質。
  • 暗物質起源的新理論
    墨爾本大學最近的一項研究提出了一種關於暗物質起源的新理論，可以幫助澳大利亞和國外的實驗人員尋找神秘的新物質。該研究成果發表在《物理評論快報》上，描述了早期宇宙中膨脹的氣泡可能是理解暗物質的關鍵。「這些相變預計在早期的宇宙中發生，可以類似於沸水中形成的氣體氣泡。我們表明，期望暗物質粒子發現很難進入這些氣泡是很自然的，這為宇宙中觀測到的暗物質數量提供了新的解釋。」
  • 新理論：血漿「沸騰」產生了暗物質
    一組科學家對暗物質--這種不可見的、神秘的東西，理論上被認為構成了宇宙中大部分物質據生命科學報導，該理論歸結為宇宙最早時刻的一段短暫的混沌期。基本上，在一段強烈的熱和能量之後，宇宙開始冷卻和膨脹，在這期間，大量的等離子體就像大鍋裡的氣泡一樣形成，創造並過濾出全新的亞原子粒子。如果這項研究成立，它可以引導天文學家首次確定那些暗物質粒子的存在。
  • 暗物質是由來自另一個宇宙的微小黑洞製造的嗎?
    暗物質可能是由偽真空氣泡成核時在初期產生的微小黑洞構成的，偽真空氣泡在無限短暫的宇宙急劇膨脹期間產生了質量小於月球質量的嬰兒宇宙。如果是這樣，一組科學家認為，這可以解決關於宇宙的一些令人困惑的難題，包括暗物質、引力波源以及對仙女座星系所做的奇怪觀測。實際上，我們在宇宙中看到的那種由電子，中子，質子和其他粒子組成的物質實際上很少。
  • 新研究發現更多暗物質包裹著星系團，可能動搖宇宙理論
    宇宙透鏡 　　目前關於宇宙關鍵材料，及不同材料隨時間相互交互理論的主要模型是Λ冷暗物質模型（Lambda-CDM），而這篇新論文是對該模型發起挑戰的一項最新研究成果。這一觀測結果表明暗物質亞光環的密度比計算機模擬的更高，而這個結果似乎與Λ冷暗物質模型相悖。 修正宇宙理論 　　這並非宇宙觀測結果與Λ冷暗物質模型首次出現相悖。
  • 我們的宇宙是其它宇宙的氣泡,時空泡沫理論迎復甦
    物理學家們傾向於認為宇宙正在膨脹，而且自從大爆炸以來，宇宙的膨脹已經加速。這些事實使得之前長期存在的理論站不住腳，研究人員於是提出了各種各樣的假設，從涉及隨著宇宙擴展而延伸的彈性「 弦 」理論到涉及多個宇宙的古怪假設，大多數統一理論的核心思想是，某種看不見的或隱藏的暗物質和暗能量一定存在。
  • 物理學家認為大爆炸中的黑洞可能是暗物質
    霍金和卡爾認為，在宇宙的最初幾分之一秒內，其密度的微小波動本可以賦予幸運的或不幸的質量太多的區域。這些區域中的每一個都會崩潰成一個黑洞。黑洞的大小取決於區域的地平線——以光速可到達的任何點周圍的空間。地平線上的任何物質都會感覺到黑洞的引力並掉進去。霍金的粗略計算表明，如果黑洞大於小行星，那麼今天它們可能仍潛伏在宇宙中。20世紀90年代取得了更多進展。
  • 宇宙膨脹的速度比理論模型還要快,科學家認為是暗物質在作怪
    科研人員了解的是宇宙膨脹一定是因為宇宙存在著人類未知的物質，因此推測這有可能是暗物質的作用，但是暗物質人類也是一知半解，因為但只是存在於理論中，實際情況卻是人類還無法發現暗物質。
  • 負質量理論:暗物質、暗能量,能否得到統一
    仍存在爭議的一種宇宙模型可能挑戰宇宙學基本原理。一個異想天開的藝術家對於暗物質的遐想。圖片版權DAVID KASHAKHI/GETTY IMAGES宇宙中可能充滿了一種不可見的流體，它具有負引力，即排斥力而非吸引力。
  • 暗物質真的存在嗎?
    Weiss）近一個世紀以來，科學家一直在尋找「暗物質」，宇宙的很大一部分都被認為是由這種隱形且未知的物質構成的。他們堅持這個理論的原因是暗物質可以解釋星系不符合基礎物理法則的現象。然而，對暗物質的搜尋一直未果。但有其他的方法可以解釋為什麼星系的行為如此奇怪。
  • 物理學家認為大爆炸中的黑洞可能是暗物質
    這種「原始」黑洞的隱藏種群可能會構成暗物質。畢竟，儘管進行了數十年的搜索，但沒有暗物質粒子顯示出來。如果我們真正需要的成分——黑洞——一直在我們的鼻子底下呢？他計算得出，如果嬰兒宇宙產生足夠的黑洞來解釋暗物質，那麼隨著時間的推移，這些黑洞將成雙系統對，彼此越來越接近，並且以比LIGO觀測到的數千倍高的速率合併。他竭力主張其他研究人員繼續使用替代方法來研究這個想法，但是許多人失去了信心。該論點如此可惡，以至於卡米昂科夫斯基說，這使他對這一假設的興趣大打折扣。但是，現在，在最近的大量論文之後，原始的黑洞想法似乎重新流行起來。
  • 科普知識:探索宇宙暗物質與電磁波理論
    而且暗物質不止一種，初步估計少說也有上萬種。人類目前研發的對撞機，和暗物質根本不在一個檔次上，猶如在宇宙深處萬億光年的地方觀測地球上一隻小小螞蟻，徒勞無益。不過有科學家認為：探索宇宙暗物質暗能量的奧秘的關鍵所在，應該要了解電磁波理論。
  • 宇宙終點可能不是熱寂，一種新理論認為宇宙可以無限重生
    自1998年發現暗能量以來，科學界逐漸認為現有理論和觀測結果將推導得出宇宙最終走向熱寂。因為暗能量的存在，宇宙不斷地加速膨脹，直到所有恆星死亡並且連黑洞都蒸發了，宇宙中只剩下一些基本粒子。要達到最終的熱寂，將需要非常長的時間，但再長的時間都有一個盡頭，對宇宙來說這是很可悲的。有一個新理論打破了這樣悲慘的未來，是剛獲得諾貝爾物理獎的科學家羅傑·彭羅斯提出的。他認為宇宙是不朽的，它將一遍又一遍的無限重生。
  • 暗物質本質新理論解釋了星系中的神秘缺陷
    加州大學裡弗賽德分校的物理學家領導的一項研究表明，有關暗物質性質的新理論有助於解釋為什麼距地球約6500萬光年的一對星系中幾乎不含神秘物質。暗物質是不發光的，無法直接看到。認為它構成了宇宙中85％的物質，其本質尚不為人所知。
  • 研究人員認為暗物質可能由原始黑洞組成
    來自卡夫利宇宙物理與數學研究所的研究人員一直在對可能形成於早期宇宙的黑洞進行研究，這些所謂的原始黑洞被認為是在恆星和星系誕生之前形成的。原始黑洞可能是全部或部分暗物質形成的原因，也是我們銀河系中心和其他地方發現的一些觀測到的引力波信號和超大質量黑洞的成因。
  • 宇宙是由什麼物質組成的?未知的部分統稱暗物質
    在1980年，一個由魯比莫夫（VA Lyubimov）領導的蘇聯研究組提出了對於暗物質本質的可能解釋。他們認為暗物質可能是由中微子組成的。這樣的想法有一定道理。中微子是「暗的」，它們就像是「幽靈粒子」，幾乎不與其他物質發生相互作用。科學家們認為全宇宙中所有的中微子加在一起，它們具有的質量或許可以解釋暗物質的引力影響。
  • 破解暗物質的新線索:六夸克粒子
    >在我們這個宇宙中存在著一種主要的物質，除了它所產生的引力之外，它既不可見、也無法被探測到，這就是神秘的「暗物質」。一些科學家認為，這種神秘的「暗物質」一定是由未知的粒子組成的，而另一些科學家則認為一個熟悉的粒子可能是問題的關鍵。儘管人們在不斷尋找可以解釋暗物質對宇宙造成影響的東西，但暗物質仍然難以捉摸。但也一些科學家在猜想，暗物質是否可以用現有的物理定律來解釋。其中一種觀點認為，一種叫做六夸克的粒子（也稱為六夸克）可以解釋暗物質，而不需要任何新奇的新理論。
  • 神秘的宇宙：暗物質之謎
    暗物質之謎雖然我們不知道暗物質到底是什麼，但能夠感知暗物質對浩瀚宇宙產生的巨大影響。那麼暗物質究竟是一種什麼樣的物質呢？之前的宇宙大爆炸理論認為宇宙誕生之前沒有時間，沒有空間，沒有物質，也沒有能量。約為一百五十億年前，一個很小的點爆炸了，逐漸膨脹形成的空間和時間，宇宙隨之誕生，並經過膨脹冷卻演化至今。