神秘的暗物質究竟是啥?新發現驚人

2020-12-07 快科技

宇宙學標準模型告訴我們,宇宙中普通物質只有4.9%,剩下26.8%是暗物質,68.3%是暗能量。

顧名思義,我們看不到暗物質,因此它們的存在只能依據理論模型,或觀測宇宙的大尺度結構,以及它們對可見物質產生的明顯引力作用來推斷。


大尺度宇宙中的暗物質密度分布,從左至右逐漸過渡到氣體密度分布

自從暗物質理論被提出以來,不乏許多對暗物質粒子是什麼的推測。不久以前,許多科學家提出,暗物質是由「弱互作用大質量粒子(WIMPs)」構成的,它們的質量是質子的100倍,但相互作用的方式和中微子類似。

然而,所有利用對撞實驗來尋找暗物質粒子的努力都一無所獲,因此有一些科學家開始懷疑,暗物質是不是由另外一種完全不同的東西構成的?

當前的宇宙學模型傾向於假設暗物質粒子的質量在100吉電子伏左右,這與另外一些通過弱互作用力發生作用的粒子質量尺度相符。

這樣一種粒子的存在,符合粒子物理標準模型中的超對稱外延。人們進一步相信,這樣的粒子產生自熾熱緻密的早期宇宙,且把質量和密度一直保持到了今天。


根據超對稱理論,「弱互作用大質量粒子」會相互湮滅,產生一系列的粒子和輻射,包括中等強度的伽瑪射線

然而,人們無法在實驗中找到這類粒子存在的任何具體證據。無論是在鄰近星系和星系團中尋找這類粒子發生湮滅時產生的線索(如伽瑪射線,中微子和宇宙射線),還是使用強大的粒子對撞機進行直接檢測,結果都是一樣。

因此,許多科研團隊開始考慮跳出「弱互作用大質量粒子」的框架,來尋找暗物質。比如一個丹麥的宇宙學家小組,最近發表了他們的研究成果,他們認為暗物質可能比之前人們想像的要重得多,它們的相互作用也要微弱得多。

團隊中的McCullen Sandora博士這樣說:

「我們還不能排除『弱互作用大質量粒子』這樣的方案,但是多年來我們都一無所獲。弱層次結構問題帶來了非常大的麻煩。為什麼我們所知的粒子都那麼輕,尤其是相對於大自然的引力尺度而言。引力尺度,也就是普朗克尺度,大約在10^19吉電子伏左右。因此如果暗物質存在於普朗克尺度附近,就不會帶來層次結構問題,而這也能夠解釋為什麼我們看不到任何與『弱互作用大質量粒子』有關的跡象。」

他們採用了一種被稱為「普朗克互作用暗物質(PIDM)」的新模型,來探索暗物質質量的上限。

「弱互作用大質量粒子」把目光放在了弱電力尺度的上限,而這批丹麥學者認為,暗物質存在於另一種完全不同的自然尺度——普朗克尺度上。


宇宙時間線,從大爆炸到今天

在普朗克尺度上,一個質量單元等於2.17645×10^-8千克,大致相當於1微克,或是質子質量的10^19倍。以此計算,每個「普朗克互作用暗物質」基本單元的質量都接近於粒子質量的極限,再重它們就要變成迷你黑洞了。

這些科學家還提出了一個理論,認為這些暗物質大批形成於宇宙的極早期——「再熱期」——這一時期發生在「暴脹期」結束時,大致上是「大爆炸」後10^-36秒至10^-33秒或10^-32秒之間。

這一時期之所以被稱為「再熱」,是因為在暴脹期間,宇宙的溫度下跌了10萬倍左右。暴脹一旦結束,溫度便開始回升到暴脹前的水平(大約10^27K)。此刻,暴脹場中的巨大潛在能量開始衰減為遍布整個宇宙的標準模型粒子,而暗物質可能就包含其中。

這個理論對宇宙學家的許多推斷都是有啟示性的。比如要使這個模型行得通,再熱期的溫度就必須比當前的假設要高。一個溫度更高的再熱期則會導致更多原初引力波的產生,而這理應能夠在宇宙微波背景中看得到。

「這麼高的溫度告訴我們,有兩件與暴脹有關的事情非常有趣,」Sandora說。「假如暗物質的確存在於普朗克尺度上,暴脹必然發生在極高的能量級上,也就是說它不但能夠在早期宇宙的溫度中產生漲落,還能夠使時空本身發生漲落,產生引力波。其次,它告訴我們暴脹能量必然會極快地衰減為物質,因為如果持續時間太長,宇宙的冷卻便會使得存在於普朗克尺度上的暗物質完全無法產生。」


未來對宇宙微波背景的研究,可能會告訴我們暗物質的真相

這類引力波存在與否,可以在未來對宇宙微波背景的研究中加以證實或排除,而這同樣也是一個令人興奮的消息,因為最近人們成功地直接檢測到引力波,無疑鼓舞了檢測原初引力波——這種極早期宇宙產物的努力。

Sandora認為對於科學家來說,這是雙贏的,無論這種暗物質的最新候選者在不久的將來被證實還是被排除。

「我們的設想是具體的:我們打算在下一代的宇宙微波背景實驗中尋找這些引力波。實際上,這樣的設想不會有什麼壞處:假如我們發現了它們,那太好了;假如我們沒有看到,那我們就會知道暗物質並不是這種東西,我們也就會明白和普通物質發生作用的,肯定是別的什麼。而謎底肯定會在下個十年左右的時間內揭曉,這將給我們帶來許多期待。」

自Jacobus Kapteyn 1922年提出存在暗物質的假設以來,科學家一直在尋找這種物質存在的直接證據。從「引力子」到「暈族大質量緻密天體(MACHOS)」到軸子——眾多的候選者被一一提出,被一一稱重,被一一尋找。假如別無他物,那麼這種最新的暗物質候選者無論在不遠的將來被證實還是被排除,都是我們所樂意見到的事。

假如它被證實,那麼宇宙學中最大的謎團就會被解開。人類在了解宇宙及其神秘作用力的道路上會邁出一大步。無論有沒有萬物理論,我們都在不斷向前。

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