暗物质或许出现在宇宙大爆炸之前

2019.8.14 发布在 科学脑洞 栏目

暗物质或许出现在宇宙大爆炸之前 科学脑洞-第1张

科学家猜测宇宙质量约80%的部分来自暗物质,但是,暗物质究竟是什么以及如何形成,至今仍是未解之谜。现在,来自约翰霍普金斯大学的学者,提出一个大胆的意见:暗物质可能在宇宙大爆炸之前就已存在。

他们的论文于8月7日发表在《物理评论快报》上,提出了暗物质如何诞生以及如何通过天文观测来验证的新思路。

“我们的研究揭示出粒子物理学与天文学之间的新联系。如果暗物质由大爆炸之前就存在的未知粒子构成,它们就会对星系的分布产生奇特的影响。这种联系可被用于检测暗物质和验证大爆炸是否真的是宇宙万物,乃至时间的开端。”约翰霍普金斯大学物理和天文博士后研究员、论文作者Tommi Tenkanen解释道。

尽管人们对暗物质的起源所知不多,但天文学家已经证明,暗物质在星系和星系团的形成中起着至关重要的作用。尽管缺少直接观察到它们的手段,但科学家们通过它们产生的引力效应知晓了其存在。

很长一段时间,研究人员认为暗物质必然是大爆炸的产物。他们埋头苦寻,但到目前为止,所有搜索都已失败告终。

“如果暗物质确实是大爆炸后的残余物,那么在很多情况下,研究人员应该已经在不同的粒子物理实验中看到了指向它们的直接信号。”

借助新颖而又不失简单的数学框架,前卫的研究表明,在宇宙开始暴涨阶段之前就存在了。据信,宇宙自身的快速膨胀导致被称为标量(场)的某类粒子大量出现。但到目前为止,我们只找到了一种标量粒子——鼎鼎大名的希格斯玻色子。

“我们不知道暗物质是什么,但如果与标量粒子有关,那它们可能比大爆炸更为古老。通过构建数学场景,我们不必为可见物质和暗物质之间添加新的相互作用方式。”Tenkanen解释道。

虽然暗物质出现在大爆炸之前的想法并不新鲜,但其他理论学者却未能提出支持这一想法的数学方案。他说,新研究表明,研究人员总是忽略暗物质起源的最简单的数学方案。

他还提出了一种实验思路,通过观察暗物质层在宇宙物质分布上的特征,来验证暗物质的起源。

“虽然难以在实验室中发现它们,但可以在大尺度的天文观测中揭示其存在性。当欧几里德卫星于2022年发射后,我们或许就能找到暗物质的起源。那将会是非常令人兴奋的重大发现……以及可以用来窥探大爆炸之前的时代。”

“在宇宙开始暴涨阶段之前就存在了”应该为“暗物质可能是在大爆炸之前的宇宙暴涨阶段中产生的”
下面是简单小科普:

标题的“宇宙大爆炸之前”带有误导性,但这是没办法的事。虽然国内外一般人会认为“大爆炸”这个词指的是那个体积无穷小的点,但学界普遍的用法是指宇宙从又小又高温的空无一物变成又大又充满粒子的这个过程。
更确切地说,我们坦白承认了自己不知道那时发生了什么,到底真的是发生了从零开始的“暴涨”,还是说发生了“收缩-反弹”,不知道,所以干脆就将这段神秘时期之后紧接着的已知的部分才叫做“大爆炸”,而将暴涨阶段归为pre-big bang,(或者至少归在pre-big bang到big bang之间)
这篇文章讲的是暗物质粒子可能是在pre-big bang的暴涨阶段内产生的,而不是在暴涨结束以后。
为什么这么区分,因为一般认为暴涨是极快速的过程,同时也是温度骤降的过程,相当于是疆域极速扩张而人口增长缓慢,温度约从10^27K掉到10^22K(参考维百),但是暴涨结束后的普朗克时期温度没有那么低(约10^32K),这中间其实发生了一个reheating(再加热)过程。
按照当前的slow-roll(慢滚)暴涨模型,在暴涨的前中期确实是温度骤降而且“地广人稀”,但在接近结束时有一个标量场将它的势能全部贡献出来产生无数的粒子,并使温度回升。一般认为这个reheating过程产生的无数粒子才是我们宇宙发展至今的原材料,如今你我身上的基本粒子都能回溯到reheating那个时候。
按这文章的说法,以往我们也认为暗物质粒子也是在reheating过程中产生的,而文章提出的新模型则是认为暗物质粒子可能是在暴涨阶段中(也就是reheating之前)就产生了。