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潜伏在宇宙中的暗物质从何而来?新理论认为或由宇宙气泡形成

2020-11-06 09:25 前瞻网   

 

潜伏在宇宙中的暗物质从何而来?新理论认为或由宇宙气泡形成

一项新的研究表明,早期宇宙中膨胀的宇宙气泡可能导致了现在大量的暗物质,这种难以捉摸的物质牵引着恒星,但却不发光。

10月9日发表在《物理评论快报》杂志上的这一理论,或许能准确解释暗物质是如何从早期宇宙的炽热汤中浓缩出来的。自从天文学家弗里茨·兹威基在1933年首次提出暗物质的存在以来,大量的观测证据已经表明,某些东西潜伏在暗处,我们的眼睛甚至最新的科学仪器都看不见。暗物质通过对天文学家观测到的可见恒星和星系施加的引力留下了它的指纹。这种引力的大小使科学家能够估计暗物质在宇宙中所占的比例。目前的估计表明,这种暗物质占宇宙质量的80%。

“虽然我们知道我们的宇宙中有多少暗物质,但几十年来,我们一直对暗物质的性质和起源感到疑惑。”研究合著者Andrew Long说,他是休斯敦莱斯大学的物理学助理教授。“暗物质是基本粒子的集合吗?如果是的话,这些粒子的性质是什么,比如它们的质量和自旋?这些粒子施加了什么力,它们经历了什么相互作用?暗物质是什么时候产生的,在它的形成过程中什么相互作用起了重要作用?”

Long和澳大利亚墨尔本大学的物理学家Michael Baker,以及德国美因茨约翰内斯古腾堡大学的Joachim Kopp想要回答最后一个问题:暗物质是什么时候以及如何形成的?他们研究了宇宙形成的最早阶段,Long说,也就是大爆炸开始后一纳秒的一小段时间,一个粒子产生和毁灭的“西部荒野”,粒子在它们形成时就相互碰撞和湮灭。在那个时候,宇宙是由极其高能量的基本粒子组成一锅炽热的汤,类似于物理学家在当今最大的粒子加速器中创造的夸克胶子等离子体。这锅原始汤的温度和密度高得难以想象,而且太过混乱,无法形成更多有序的亚原子粒子,比如质子和中子。

但是这场混乱并没有持续太久。宇宙开始膨胀后,等离子体逐渐冷却,新粒子的产生也停止了。与此同时,粒子之间的距离越来越远,它们之间的碰撞速度直线下降,直到它们的数量保持不变。遗留下来的粒子被科学家们称为“热遗迹”,并成为我们今天所熟知和喜爱的物质,比如原子、恒星,最终还有人。Long 表示,“除了现在已知的所有基本粒子,我们有理由想象在早期宇宙中存在其它粒子,比如暗物质。”

科学家们相信,这些假设的粒子今天也可能作为“热遗迹”存在。在新的研究中,研究小组假设,在大爆炸后的几分之一秒内,等离子体经历的相变,就像现在物质从一种状态转移到另一种状态一样,例如,一壶沸水中产生水蒸气气泡,或者蒸汽冷却下来形成水滴。

在这种情况下,冷却等离子体的气泡在早期宇宙沸腾的汤中突然形成。这些气泡膨胀和合并,直到整个宇宙过渡到一个新的阶段。

Long说:“当这些液滴在宇宙中膨胀时,它们就像过滤器一样,把暗物质粒子从等离子体中过滤出来。”“通过这种方式,我们今天在宇宙中测量到的暗物质的数量,是大爆炸后一秒内过滤的直接结果。”

这些气泡的壁将成为屏障。只有大质量的暗物质粒子才有足够的能量穿过膨胀的气泡到达另一边,并从湮灭较轻粒子的蛮荒西部逃脱。这将过滤掉低质量的暗物质粒子,并可以解释今天观测到的大量暗物质。

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暗物质的主要候选者之一是弱相互作用大质量粒子(WIMPs)。这些假设的粒子将比质子重10到100倍,但它们只能通过两种基本的自然力与物质相互作用:引力和核弱力。它们像幽灵一样穿过宇宙,可以解释像兹威基这样的天文学家在近一个世纪前首次发现的失踪暗物质。

对WIMPs的研究促使物理学家们在地下深处建造了巨大的、最先进的探测器。但是,尽管对这些难以捉摸的粒子进行了数十年的探索,仍然没有发现任何粒子。这使得科学家们近年来开始寻找其它暗物质粒子的竞争者,它们要么比WIMPs更轻,要么比之更重。

“关于[我们的研究]这个想法的一个令人兴奋的方面是,它对暗物质粒子有效,这些粒子比大多数其它候选粒子都重,比如著名的WIMPs,过去的大多数实验搜索都集中在这些粒子上。”Kopp,这篇论文的合著者,在一次采访中说。“因此,我们的工作推动了对暗物质的研究向更大质量的方向扩展。”

他们的工作也为未来的其它项目打开了探索暗物质的道路,比如激光干涉太空天线(LISA),这是一组横跨数百万英里的太空探测器,旨在探测太空中引力波的波纹。

Long说,如果和同事们设想的宇宙气泡在宇宙早期存在的话,它们可能已经通过引力波留下了可探测的指纹。两个气泡壁碰撞产生的部分能量可能会产生引力波,供未来的实验检测。

该团队计划扩大研究,以了解更多关于暗物质与这些气泡壁相互作用时会发生什么,以及气泡碰撞时会发生什么。“我们知道暗物质在那里,但我们不知道很多其他的。” Baker说,“如果这是一种新的粒子,那么我们很有可能在实验室中检测到它。然后我们就可以确定它的属性,比如它的质量和相互作用,并了解关于宇宙的一些新的、更深入的东西。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 3976DBC

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