神秘的“暗大爆炸”可以解釋暗物質的起源

多虧了重力，至少我們知道暗物質存在。我們也知道它非常豐富，約占宇宙中所有物質的 85%。

不過，除此之外，我們一無所知。我們不知道暗物質是什么，也不知道它來自哪里，如果它是由某種弱相互作用的物質組成的，我們仍然無法直接探測到它的單個粒子。

根據美國科爾蓋特大學兩名研究人員的一項理論研究，即使使用更新的、高度敏感的探測方法，我們也一直無法揭開暗物質的面紗，這讓我們需要重新思考這種神秘物質的性質和潛在起源。

而不是從Big Bang該研究的作者寫道，與普通重子物質一樣，暗物質可能在它自己的“暗大爆炸”中出現得稍晚一些。它現在可能居住在一個黑暗的區域，大部分與我們的可見區域分離，僅通過重力相互作用。

到目前為止，引力已經告訴我們我們對暗物質知之甚少。我們稱之為幽靈般的物質黑暗物質，因為它不與光或其他電磁輻射相互作用，因此我們看不到它。

然而，考慮到暗物質對星系和星系團的引力影響——再加上其他線索，比如它對宇宙背景輻射的影響——我們有強有力的證據證明暗物質存在。我們只是對幾乎所有其他事情一無所知，包括它是什么以及它來自哪里。

對暗物質的搜尋主要集中在弱相互作用的大質量粒子或 WIMP 的 WIMP 中。這些假設的基本粒子將通過兩個四大基本力量：重力和弱核力（但不包括電磁力或強核力）。

幾十年的搜索沒有得到 WIMP 存在的確認，這讓它們的吸引力稍微減弱了，并將更多的科學興趣轉移到了對暗物質的其他可能解釋上。

“隨著 WIMP 繼續逃避檢測，考慮與可見光扇區高度解耦的暗扇區變得越來越重要。”寫這項新研究的作者、物理學家 Cosmin Ilie 和本科生研究員 Richard Casey。

2023 年，另外兩名研究人員——德克薩斯大學奧斯汀分校的 Katherine Freese 和 Martin Winkler——提出一個有趣的理論：也許暗物質是在第二次大爆炸中與最初的宇宙膨脹分開形成的，他們稱之為暗大爆炸。

這將挑戰許多科學家目前設想這個關鍵時代的方式，宇宙中的所有物質和輻射（包括暗物質，無論它是什么）都來自同一物理學領域。

然而，根據 Freese 和 Winkler 的說法，暗大爆炸與暗物質的證據是一致的——只要它迅速發生，在第一次大爆炸后的大約一個月內。

在這種情況下，暗物質粒子是由僅耦合到暗或隱藏扇區的量子場的衰變產生的;超出我們當前物理學知識的假設粒子和力的集合。

黑暗大爆炸將釋放一階宇宙學相變在暗區，與第一次大爆炸后我們的可見光區所經歷的現實轉變變化相媲美，宇宙大爆炸將真空能量轉化為輻射和粒子的熱等離子體。

在他們的新研究中，Ilie 和 Casey 更深入地研究了這個想法，探索了它的可行性，并測試了一系列適合現有實驗數據的不同暗大爆炸場景。

他們的工作有助于加強 Freese 和 Winkler 提出的情況，不僅證實了黑暗大爆炸的可能性，而且全面評估了此類事件可能展開的方式范圍。

在他們的發現中，Ilie 和 Casey 揭示了一系列以前未被檢驗過的暗物質誕生的潛在參數。他們還列出了進一步測試這一概念的選項，包括可能存在可檢測的痕跡——例如引力波– 被這些情景拋在后面。

“探測暗大爆炸產生的引力波可以為這種新的暗物質理論提供關鍵證據，”Ilie說.

他指出，雖然暗物質似乎不太可能輕易透露它的秘密，但有理由樂觀地認為我們將解開這個宇宙之謎。

“以目前的實驗，比如國際脈沖星時序陣列 （IPTA） 和平方公里陣列 （SKA） 即將推出，我們可能很快就會擁有以前所未有的方式測試此模型的工具，“Ilie說.

例如，NANOGrav 研究合作（IPTA 的一部分）的研究人員在 2023 年宣布，他們發現了引力波背景在宇宙中。

Ilie 和 Casey 說，這可能有助于測試暗大爆炸的概念，為進一步的研究奠定基礎，最終可能會對暗物質有所了解。

該研究發表在物理評論 D.

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