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新理論表明宇宙氣泡可能已經產生了暗物質



新聞11月5日北京時間,據國外媒體報導,一項新的研究表明,在我們早期宇宙中膨脹的宇宙氣泡今天可能已經產生了大量的暗物質。 這種難以捉摸的物質將拉動恆星,但不會發光。

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這項新研究發表在10月9日的《物理評論快報》上。 新的研究可能準確地解釋了暗物質從早期宇宙的熱湯中凝結的方式。 自從1933年天文學家弗里茨·茲維基(Fritz Zwicky)首次提出暗物質的存在以來,大量的觀測證據表明,某些東西隱藏在黑暗中,不僅肉眼看不見,甚至最先進的科學儀器也不可見。 我們只能從暗物質對天文學家可以觀察到的恆星和星系施加的引力中找到暗物質的線索。 這種引力的大小使科學家能夠估計宇宙中暗物質的百分比。 目前的估計表明,暗物質佔宇宙質量的80%。

休斯敦萊斯大學的物理學研究助理教授,該研究的合著者安德魯·朗(Andrew Long)說:“儘管我們知道宇宙中含有多少暗物質,但數十年來,我們還不知道暗物質的性質和來源。暗物質是基本粒子的集合,是嗎?如果是,這些粒子的性質是什麼?例如,它們的質量和自旋?這些粒子將施加什麼力以及它們之間存在什麼相互作用?暗物質形式?在其形成過程中,相互作用起什麼重要作用?”

澳大利亞墨爾本大學的物理學家邁克爾·貝克,約阿希姆·科普和德國美因茲大學的物理學家郎希望回答最後一個問題-何時以及如何形成暗物質。 朗說,他們研究了宇宙形成的最早階段,該階段距離大爆炸開始後不到一納秒,這是粒子形成和an滅的“狂野西部”時間。 在此期間,粒子一形成便發生碰撞和an滅。 當時,宇宙是高能基本粒子的熱湯,類似於當今物理學家在大粒子加速器中產生的夸克-膠子等離子體。 這種原始湯非常熱,濃密且混亂,無法形成更有序的亞原子粒子,例如質子和中子。

但是這個宇宙的“狂野西部”時代並沒有持續很長時間。 宇宙開始膨脹後,等離子體逐漸冷卻,新粒子的產生突然停止。 同時,粒子彼此分離,碰撞速度突然下降,直到粒子數保持恆定。 科學家將剩餘的粒子稱為“熱殘留粒子”。 這些倖存的粒子隨後成為我們今天所知道和喜歡的事物,例如原子,恆星,甚至我們自己。 郎說:“除了今天已知的所有基本粒子外,我們還有理由想像早期宇宙中還有其他粒子,例如暗物質。”

科學家認為,這些假想的粒子今天也可能以熱殘留粒子的形式存在。 在這項新研究中,研究小組假設,大爆炸之後,等離子體會發生相變,類似於物質從一種狀態變為另一種狀態時所發生的相變,例如在沸騰的水壺中形成的水​​蒸氣氣泡或水。蒸汽冷卻時形成的水滴。

在這種情況下,冷卻的血漿氣泡突然在早期宇宙的熱湯中形成。 這些氣泡再次膨脹並合併,直到整個宇宙進入下一個新階段。

朗說:“當這些氣泡在整個宇宙中膨脹時,它們就像過濾器一樣,從等離子體中濾除暗物質。” “通過這種方式,我們今天在宇宙中測量到的暗物質數量就是大爆炸。不久之後,這就是過濾過程的直接結果。”

這些氣泡壁將成為障礙。 只有大質量的暗物質粒子具有足夠的能量,才能穿過氣泡屏障並進入膨脹的氣泡,從而避免了“狂野西部”。 在此期間,其他輕質顆粒被an滅。 這可以濾除低質量的暗物質顆粒,並可以解釋當今觀察到的大量暗物質。

暗物質最有希望的候選者之一是巨大的弱相互作用粒子(WIMP)。 這些假設的粒子可以達到質子質量的10至100倍,但它們僅通過兩種基本自然力(重力和弱核力)與物質相互作用。 它們像幽靈一樣穿越宇宙,這也可以解釋近百年來天文學家(例如茲維克)首次注意到的暗物質的神秘消失。

為了找到WIMP,物理學家在地下建造了巨大的先進探測器。 但是,儘管數十年來人們一直在尋找這些神秘的粒子,但我們仍然一無所獲。 近年來,這導致科學家尋找比WIMP輕或重的其他暗物質顆粒。

“我們的研究思想中最令人期待的方面之一是,它適用於比大多數其他候選物質(例如著名的WIMP)重的暗物質顆粒。過去,大多數研究都集中在尋找WIMP上。” Kopp表示,“因此,我們的研究可以促進對暗物質的搜索,從而擴大到較重粒子的領域。”

這項研究還可以為其他未來項目尋找暗物質提供機會,例如激光干涉儀空間天線(LISA)。 LISA是一系列跨越數百英里的太空探測器,用於探索宇宙中引力波的漣漪。

如果郎和他的同事設想的宇宙氣泡確實存在於早期宇宙中,它們可能會通過引力波留下可檢測到的痕跡。 由兩個氣泡壁碰撞產生的部分能量可能形成重力波,可以在以後的實驗中檢測到。

該研究小組還計劃擴大研究範圍,以更多地了解當暗物質與氣泡壁相互作用以及氣泡碰撞時會發生什麼。 貝克說:“我們知道那裡有暗物質,但除此之外我們什麼都不知道。” “如果這是一個新粒子,那麼我們很有可能在實驗室中對其進行檢測。然後,我們可以確定其性質,例如質量和相互作用,並進一步了解宇宙。” (林琳)