新研究假设：宇宙发生过两次大爆炸

最近一篇论文提出了一个新的假设，即宇宙的起源可能不是只有一个大爆炸，而是有两个大爆炸，一个是我们熟悉的热大爆炸，另一个是一个暗大爆炸。

背景

我们知道，宇宙中的物质和辐射主要是由热大爆炸产生的，这个过程可以通过原初核合成的证据来验证。原初核合成是指在宇宙早期，当温度高于一兆电子伏特时，光子和重子形成了一个热等离子体，然后在温度降低后，重子结合成了轻元素（如氢、氦和锂）的过程。这个过程可以很好地解释我们观测到的宇宙中轻元素的丰度。

但是，宇宙中还有一种我们不太了解的物质，就是暗物质。暗物质是指那些不与电磁辐射相互作用，或者说不发光的物质，它只能通过引力效应来探测。暗物质占据了宇宙物质总量的大约 85%，它对宇宙的结构形成和演化有着重要的影响。但是，暗物质是什么，它是怎么产生的，它有没有和我们熟悉的物质相互作用的可能性，这些都是目前物理学中的未解之谜。

暗大爆炸

一篇论文提出了一个可能的答案，即暗物质（以及可能的暗辐射）是在一个暗大爆炸中产生的，这个暗大爆炸是由暗物质部分的一个相变引起的。相变是指物质从一种状态转变为另一种状态的过程，比如水从液态变为固态或气态。在这个过程中，物质的能量和熵会发生变化，有时会伴随着一些剧烈的现象，比如泡沫的形成和碰撞。

在这篇论文中，作者假设暗物质部分在宇宙早期处于一个高能量的假真空态，然后在某个时刻发生了一个一级相变，即从一个假真空态跳变到一个真真空态。在这个过程中，暗物质部分的真空能被释放出来，形成了一个热的暗等离子体，这就是暗大爆炸的起点。

暗大爆炸的时间可以在原初核合成之前、之中或之后，只要它不影响我们已知的宇宙历史和观测。作者计算了暗大爆炸的温度范围，发现它必须在可见物质部门的温度高于几千电子伏特时发生，这相当于宇宙年龄小于一个月的时候。在这个温度下，可见物质部门已经形成了中性原子，而不是等离子体，这意味着它和暗物质部分的相互作用会很弱，从而保证了暗大爆炸的隐匿性。

新模型的预测

暗大爆炸产生了暗物质，但是暗物质的丰度是多少呢？这篇论文给出了几种可能的机制，来解释暗物质的丰度和性质。一种是暗物质的自噬，即暗物质之间有一种强的相互作用，使得它们可以相互转化为其他的暗粒子，从而降低暗物质的数密度。另一种是暗物质的对消，即暗物质和反暗物质可以相互湮灭为暗辐射，从而降低暗物质的能密度。

这两种机制都可以导致暗物质的冻结，即在某个时刻，暗物质的相互作用速率低于宇宙的膨胀速率，从而暗物质的丰度固定下来。还有一种可能是暗物质是超重的，即它的质量远远大于可见物质的质量，这样的暗物质可以直接从暗大爆炸中的泡沫碰撞中产生，而不需要经过任何的冻结过程。作者称这种暗物质为“暗吉拉”，它的质量可以达到 10^16 公斤，相当于一个小行星的质量。

暗大爆炸不仅产生了暗物质，还产生了引力波。引力波是时空的涟漪，它是由质量或能量的加速运动产生的。暗大爆炸中的相变和泡沫碰撞都是强烈的能量源，它们可以激发出很强的引力波，这些引力波会持续到现在的宇宙，成为宇宙引力波背景。作者计算了这些引力波的频率和强度，发现它们可以在脉冲星定时阵列实验中被探测到。脉冲星定时阵列是一种利用脉冲星的稳定的脉冲信号来探测引力波的方法，它可以探测到频率在 10^-9 赫兹到 10^-6 赫兹之间的引力波。

暗大爆炸产生的引力波正好在这个范围内，而且有一个很特别的特征，就是它们的频率随着时间的变化而变化，这是因为暗物质部分的温度和可见物质部门的温度不一样，它们的膨胀速率也不一样，这导致了引力波的频移。如果我们能够在脉冲星定时阵列实验中观测到这样的引力波信号，那么我们就可以证实暗大爆炸的存在，也可以测量暗物质部门的温度和能量密度。

暗大爆炸还可以解释一些其他的暗物质的性质，比如暗物质的自相互作用和暗物质的温度。暗物质的自相互作用是指暗物质之间除了引力以外还有其他的力，这种力可以影响暗物质的分布和运动，从而解释一些小尺度结构的观测异常。

暗物质的温度是指暗物质的平均动能，它决定了暗物质的运动状态，是冷的、温的还是热的。暗物质的温度和暗大爆炸的温度有关，如果暗大爆炸的温度很高，那么暗物质就会是热的，它的速度会接近光速，这样的暗物质会很难形成结构，也很难被探测。

如果暗大爆炸的温度很低，那么暗物质就会是冷的，它的速度会很慢，这样的暗物质会很容易形成结构，也很容易被探测。如果暗大爆炸的温度介于两者之间，那么暗物质就会是温的，它的速度会在中等范围，这样的暗物质会有一些特殊的性质，比如它可以在小尺度上抹平密度扰动，从而解释一些观测的不一致性。作者根据暗大爆炸的参数，给出了暗物质的温度的范围，发现它可以覆盖从冷暗物质到热暗物质的所有可能性。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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