新理论认为暗物质可能起源于宇宙大爆炸之前

航天
  • cnbeta
  • 2019-08-08 22:35

据外媒报道,到目前为止,神秘的暗物质仍然令人捉摸不透。现在,约翰斯·霍普金斯大学的一位物理学家已经提出了一个新的理论,有助于解释这些东西,但同时也让它看起来更奇怪。根据这项新研究,暗物质可能起源于宇宙大爆炸之前。

“大爆炸宇宙论”认为,宇宙是由一个致密炽热的奇点于大约137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。人们认为暗物质就像常规物质一样从大爆炸中产生 - 它似乎是我们所看到的宇宙的大规模结构的原因。

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暗物质

随着宇宙的不断膨胀,暗物质密度的微小波动意味着在质量更大的地区,膨胀速度减慢。暗物质的额外质量引力吸引了该区域的正常物质,随着物质密度的增加,它最终会坍塌并向第一颗恒星发射。这就解释了为什么恒星倾向于聚集在星系中,而星系又聚集成星系团。

虽然已经有大量证据表明暗物质大量存在于宇宙中,但暗物质尚未被直接探测到,这使研究变得棘手。因此,我们并不真正知道它是由什么构成的,但是候选粒子并不缺乏。

科学家建议的候选者包括暗光子,弱相互作用大质量粒子(WIMP),轴子,甚至像矮行星一样大的“ 宏观 ”粒子和像中子星一样密集的粒子。不幸的是,尽管进行了大量旨在检测它们的实验,但尚未出现任何这些候选物的迹象。

根据这项新研究,其原因在于假设暗物质 - 无论它是什么 - 是在大爆炸期间产生的。“如果暗物质确实是大爆炸的残余物,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暗物质的直接信号,”该研究的作者Tommi Tenkanen说。

那么替代方案是什么?根据Tenkanen的说法,暗物质的起源可能早于宇宙大爆炸本身。

在大爆炸之前

这个想法并不像听起来那么疯狂。在大多数人的心目中,宇宙大爆炸是所有时空的开始,在此之前没有任何东西存在。但这可能不完全准确。一些物理学家说,宇宙微波背景为我们提供了大爆炸之前可能存在某些东西的线索。

首先,宇宙永远不会热到足以达到奇点。最重要的是,还有两个观察到的宇宙特征表明了更多:它似乎是空间平坦的,而不是弯曲的。并且温度波动平均在所有方向上相同。

这两件事可以通过一种称为宇宙膨胀的理论来解释,宇宙膨胀是指宇宙呈指数级膨胀的时期。该理论认为,这一时期结束于137亿年前,我们称之为大爆炸的物质爆发,然后宇宙继续以不同的速度膨胀。这意味着宇宙大爆炸启动了我们现在称之为家园的宇宙 - 但这不是一切的开始。例证:暗物质本身。

早期的暗物质

这项新研究表明,虽然常规物质是在宇宙大爆炸期间产生的,但在宇宙膨胀期间,暗物质的出现较早。随着宇宙迅速膨胀,它产生了一种称为标量的粒子,其自旋为零。到目前为止,只发现了一种类型的标量粒子 - 著名的希格斯玻色子 - 但根据Tenkanen的说法,暗物质也可能属于这一类。

Tenkanen提出了他所描述的暗物质起源最简单的数学方案。在这个框架中,暗物质是一种在宇宙膨胀过程中产生的标量粒子,重要的是它可以很好地解释我们已经测量过的暗物质和规则物质的相互作用。

“我们不知道暗物质是什么,但如果它与任何标量粒子有关,它可能比大爆炸更老,”Tenkanen说。“通过提出的数学方案,我们不必假设可见光和暗物质之间的新型相互作用超出重力,我们已经知道它存在于那里。”

方便的是,这种形式的暗物质完全适合我们所知道的故事的其余部分。在大爆炸之后,已经存在的暗物质的斑块结构可以继续影响常规物质聚集在一起的方式,并最终形成我们今天看到的星系和星团。这意味着可以通过研究这些宇宙结构来支持这一理论,它甚至可以告诉我们更多关于这个神秘的大爆炸之前的时间。

“这项研究揭示了粒子物理学和天文学之间的新联系,”Tenkanen说道。“如果暗物质由大爆炸之前产生的新粒子组成,它们会以独特的方式影响星系在天空中的分布方式。这种联系可以用来揭示它们的身份,并对大爆炸前的时间作出结论。”

Tenkanen表示,目前正在寻找其他候选者的实验,很难发现这些特殊的粒子,但即将出现的卫星,如欧洲航天局的Euclid可能有所帮助。

“虽然这种类型的暗物质难以在粒子实验中找到,但它可以揭示它在天文观测中的存在,”Tenkanen说道。当Euclid卫星于2022年发射时,我们将很快了解更多关于暗物质起源的信息。看看它将揭示暗物质的内容以及它的发现是否可以用来窥探大爆炸之前的时代将是非常令人兴奋的。”

这项新研究发表在《物理评论快报》杂志上。

来源:cnbeta

作者:摘编

编辑:jiyang

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