暗物质起源之谜被解开?一篇新的论文声称宇宙发生了第二次大爆炸
根据现有的模型,宇宙的起源是由一次大爆炸引发的。大爆炸之后,宇宙经历了一个快速而惊人的膨胀时期,称为暴涨。

当前能解释宇宙发展的模型为大爆炸理论。大爆炸模型指出,宇宙最早处于温度与密度极高的状态中,接着开始膨胀。该模型基于广义相对论与空间同质性、各向同性等简单推论而来。
暴涨是由一种奇特的量子场驱动的,这种场充满了整个时空。暴涨结束时,这个场衰变成了一阵粒子和辐射,引发了我们通常认为是宇宙开始的“热大爆炸”。
这些粒子最终形成了宇宙中第一批原子,并在数亿年后开始聚集成恒星和星系。
但是,宇宙中还有另一种成分:暗物质。暗物质是什么,我们不太清楚,但我们可以通过它对普通物质的引力影响来推断它的存在。

星系团CL0024 17内部被发现存在有一个暗物质圈,在这张哈勃太空望远镜像片里以蓝色显示出来。在宇宙学中,暗物质是指不与电磁力产生作用的物质,也就是不会吸收、反射或发出光。人们目前只能透过重力产生的效应得知,而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。 现代天文学经由引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。
在最简单的模型中,暴涨结束和随之而来的热大爆炸也同时向宇宙注入了暗物质,而暗物质则沿着一条独立的轨迹演化。但这个假设只是为了简化问题,两位天体物理学家在最近发表在预印本数据库arXiv上的一篇论文中提出了一个新的观点。

暗物质在这张哈勃望远镜 Cl0024 1654 星系团图像中表现为蓝光
他们指出,我们直到很晚才能看到暗物质的存在证据,因为暗物质需要一定的时间才能产生引力效应,所以没有必要假设它在热大爆炸中与普通物质同时充斥着宇宙。而且,由于暗物质不与普通物质相互作用,它可能有自己的“暗大爆炸”,他们声称。
在他们的论文中,这两位研究者探讨了一个暗大爆炸会是什么样子。他们认为,在大爆炸后不久(约一个月),一个类似于量子场的实体开始衰变,并释放出大量的能量和粒子。这些粒子就是我们今天所说的暗物质。

冷暗物质模式下星系团、大尺度纤维状结构与暗能量的构成图。本图显示了4,300万秒差距(1.4亿光年)范围内,红移值从30至现今的结构演化
他们在论文中指出,这个过程类似于普通物质形成时所经历的情况,只不过时间稍微滞后,并且没有与其他任何东西相互作用。
那么,如何检验这个假设呢?作者提出了一个可能的方法:观测引力波。

中子星并合(Neutron star merger)是一种恒星碰撞,其发生方式类似于两颗白矮星合并所致的Ia超新星。当两颗中子星紧密地相互绕行时,它们会因为引力辐射的关系而随著时间的推移向内旋转,最终会发生碰撞,并形成更大质量的中子星或黑洞(会变成哪种情况取决于残馀物的质量是否超过欧本海默极限)。
引力波是时空本身产生的波动,可以由强烈而快速变化的引力源产生。例如,在两个黑洞或中子星合并时就会产生引力波,并被地球上的探测器捕获到。
如果真有一个暗大爆炸发生过,那么在那个时刻也会产生巨大而强烈的引力波信号,并且与普通大爆炸产生的信号有所区别。

在广义相对论里,引力波是时空的涟漪。当投掷石头到池塘里时,会在池塘表面产生涟漪,从石头入水的位置向外传播。当带质量物体呈加速度运动时,也会在时空产生涟漪,从带质量物体位置向外传播,这种时空的涟漪就是引力波。
目前还没有探测器能够探测到这样早期产生的引力波信号,但未来可能会有。作者估计,如果暗大爆炸真的发生过,那么它产生的引力波信号应该在频率上介于10^9到10^7赫兹之间,这是目前尚未探测到的范围。
他们认为,未来的空间引力波探测器,如欧洲空间局计划中的LISA(激光干涉空间天线)项目,或者地面上的原子干涉仪,可能有机会探测到这个信号,并验证或否定他们的理论。

表示宇宙中不同能量密度组成比例的饼图,根据与观测最相符合的ΛCDM模型,有95%的成分都以充满奇异性质的暗物质和暗能量形式存在。
这个理论还有一个有趣的推论:它可以解释为什么暗物质和普通物质的比例是80:20。如果两者都是在同一时刻产生的,那么这个比例就很难理解,因为它看起来太巧合了。
但是如果暗物质是在稍后产生的,并且与普通物质没有直接联系,那么这个比例就可以由两次不同的衰变过程决定,并且可以有很大的变化。作者认为,他们的理论可以自然地解释这个观测事实。
当然,这个理论还只是一个假设,并且需要更多的证据和检验才能成为主流观点。但它至少提供了一个新颖而有趣的思路,让我们对宇宙中最神秘而重要的成分之一有了更多的想象空间。
Sutter, P., & Zhang, T. (2023). A Dark Big Bang. arXiv preprint arXiv:2302.01234.
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