宇宙发生过两次大爆炸？科学家认为，第二次大爆炸产生了暗物质

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

大爆炸理论是目前关于宇宙起源和演化的最成功的理论。这一理论认为，我们的宇宙起源于一场大爆炸。在距今约 138 亿年前，宇宙从一个温度极高且密度极大的状态下开始膨胀，并将第一批物质分散到空间各处。随着时间的推移，宇宙变得越来越冷、越来越稀，物质和能量开始聚集形成恒星和星系等天体。

大爆炸理论可以解释普通物质是如何产生的，然而，它并不能解释暗物质是怎么产生的。暗物质是一种不发光、不与电磁力相互作用的物质，它占据了宇宙物质的大部分，但我们对它的本质和起源知之甚少。

为了解决这些难题，一些科学家最近提出了一种新的理论，称为“暗大爆炸理论”，认为在最初的大爆炸之后，还发生了一次“暗大爆炸”，这次爆炸产生了暗物质。

暗物质诞生于暗大爆炸

暗大爆炸理论是由美国得克萨斯大学的物理学家凯瑟琳・弗里兹（Katherine Freese）和瑞典皇家理工学院的物理学家马丁・温克勒（Martin Winkler）提出的。他们认为，早期宇宙中存在一个由暗真空能构成的暗区域。暗区域在最初的大爆炸之后的某个时候，发生了一次相变（从一个状态转变到另一个状态的物理过程，例如冰变成水）。这个相变导致暗真空能转化为暗物质粒子，这就是暗大爆炸。

弗里兹和温克勒经过计算后发现，暗大爆炸至少可以产生 3 种类型的暗物质粒子。如果相变过程是渐进式的，那么暗大爆炸会产生轻质量的暗物质粒子。其中的一种类似于传统的暗物质实验所寻找的 WIMP（大质量弱相互作用粒子），但它们会与自然界的“暗力”发生相互作用，比如与“暗电磁力”作用会产生“暗光子”。

如果这些“暗力”不存在，那么暗物质粒子就不再能够通过吸收和发射“暗光子”来平衡它们的能量。相反，你会得到一个可吞噬彼此的粒子。也就是说，暗物质粒子彼此发生碰撞时，就会发生湮灭并产生能量。

如果相变过程是突变式的，暗大爆炸就会产生很多个扩张的气泡，将系统从一种状态带到另一种状态。这就像水开始沸腾时，会出现成千上万的小气泡一样。这些气泡有着极高的能量，当它们碰撞时，就会释放出极高的能量，以至于有可能产生质量是质子的 10 万亿倍的暗物质粒子。为了体现这些暗物质粒子的质量惊人，弗里兹和温克勒称它们为“暗斯拉”（darkzillas），名字来源于影史上著名的怪兽形象哥斯拉。

他们还发现，暗大爆炸如果发生得太早，宇宙中暗物质就会太多，如果发生得太晚，宇宙中暗物质就会太少。但是，如果暗大爆炸发生在宇宙不到一个月大的时候，它就能与所有已知的观测相一致。

用引力波来验证暗大爆炸理论

暗大爆炸理论是一个极具突破性的理论，为暗物质的起源提供了一个很合理的解释。那么，如何验证这个理论呢？

弗里兹和温克勒认为，暗大爆炸可能产生一种能弥漫整个宇宙的引力波，这些引力波现在仍然在宇宙中传播着。弗里兹甚至认为，我们可能已经探测到了这种引力波。

2015 年 9 月，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了引力波。从那时起，地球上的各个引力波探测器已经捕获了近 100 个已确认的引力波事件。这些事件都是由中子星或中小型黑洞的合并产生的。

但宇宙中还存在着另一种引力波，它是一种充斥在整个宇宙空间中的引力波背景信号，被认为是由超大质量黑洞合并或者早期宇宙中的相变过程产生的。但是，这种引力波的频率很低，地球上的引力波探测器无法直接探测到它们。不过，天文学家认为，引力波背景信号可以干扰脉冲星发出的脉冲信号。如果利用射电望远镜长期观测一批脉冲星，并发现多颗脉冲星产生的信号在某个时候同时发生某种规律性变化，就代表着探测到了引力波。

2023 年 6 月，天文学家利用脉冲星成功地检测到了引力波背景信号。但是，这个信号太微弱，无法确定它的来源。虽然最有可能的来源是超大质量黑洞合并，但弗里兹认为，暗大爆炸也是一个可信的替代解释。

目前，全球的多国科研团队正在通力合作，利用脉冲星获取更精确的引力波数据。欧洲航天局的激光干涉空间天线（LISA）也将在 2037 年发射。LISA 是由 3 台航天器构成，这些航天器在太空中构成等边三角形，并通过在它们之间发送的激光束来精确地测量引力波。弗里兹认为，在不远的将来，我们就可以确定引力波背景信号是否是由暗大爆炸产生的，甚至可以确定暗物质粒子究竟是“暗斯拉”，还是一种更轻的粒子。

参考文献：

• https://arxiv.org/abs/2302.11579

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