宇宙发生过两次大爆炸?什么是暗物质大爆炸?

在现如今的宇宙学中,暗物质通常认为是在大爆炸伊始随着普通物质一起诞生的。然而,这种假设除了简单以外,似乎没有什么证据可以证明它。2023 年 4 月,一篇发表在《物理评论 D》上的文章表示,暗物质可能并不来源于当初的大爆炸,或许我们的宇宙还经历了第二次大爆炸 —— 暗物质大爆炸。

在讲具体的内容之前,我觉得有必要先说两句。每当说到暗物质,总会有人表示不屑:“什么暗物质,不就是新的以太嘛!这玩意儿也许根本就不存在!”

虽然“暗物质”目前仍然是一种假说,但是它的提出确实可以解释一些仅凭现有理论无法解释的事情:比如星系的旋转曲线问题宇宙微波背景的波动问题,还有各种各样的引力透镜现象等等。

可以说,暗物质存不存在其实并不重要,重要的是我们要有一套行之有效能够解释现象的理论。那怕是“修正牛顿动力学(MOND)”这种对引力理论进行修改的方式,也是可以的,只要能解决问题就行。而就目前来说,引入暗物质(尤其是运动缓慢的冷暗物质)是现阶段能够解释那些异常现象最好用的方式,没有之一。

现在的问题在于,虽然我们假设暗物质存在,但是我们并不清楚它究竟是什么。目前已知的所有普通物质,我们都能在粒子物理中找到其对应的基本粒子。但是暗物质呢,我们不仅找不到合适的粒子,对它的性质(除了引力)我们也是全靠猜测,包括它的起源问题。

相较于研究宇宙如何演化的标准大爆炸模型,大爆炸核合成理论是专门研究宇宙中的物质是如何起源的。比如各种粒子是什么时候出现的;氢氦这种轻元素是如何一步步形成的等等。但是相对于普通物质,现如今对暗物质的起源不能说一无所知吧,但也是一知半解。

通常认为,暗物质的出现应该是在暴胀时期背景辐射(也就是之前说的最后散射面)出现前的这段时间。这是一段以“万年”来计的时间跨度,虽然相较于整个宇宙演化来说“万年”只是很短的“一瞬间”,但是要知道,目前我们对普通物质起源的描述是可以精确到“分钟”甚至是“秒”级的。没错,就是大爆炸后多少分钟发生了什么,多少多少秒发生了什么。

很多人觉得这种说法很扯,但不可否认,这些结论在如今的高能实验中我们多少还是能找到些线索的,包括天文观测上的证据也能提供相应的支持。

然而面对暗物质时,除了引力,实验上至今没有特别靠谱的证据出现。不过这也正常,谁让现在物理学,理论早就把实验甩开了几条街了。以前都是先发现个现象,然后再去找理论解释。但现在更多的是,先整一堆理论出来,然后再通过实验找出其中最合适的那个。注意:这里我用的是“最合适”而不是“最正确”。

先有理论支持,理论给实验指个方向,然后再去做实验验证。这个逻辑无可厚非,不然面对一些虚无缥缈的东西,只能像个无头苍蝇一样四处乱撞。对于暗物质的起源问题,自然也是这个情况。

通常认为,暗物质是与所有的普通物质(包括辐射)一同诞生于大爆炸初期。甚至有些人认为,暗物质比普通物质出现的还早,早在连夸克这种粒子都还没有出现的时候,暗物质粒子或许就已经遍布于宇宙的各个角落了。虽然这些只是假设,没有什么过硬的证据,但是至少有一点,大家都表示认可,就是前面说的:暗物质应该出现在暴胀时期到宇宙微波背景出现前的这段时间内,这点也正是暗物质存在的有力证据之一。

为什么呢?因为如果没有暗物质,天体(尤其是星系、星系团这种大尺度天体)它们全靠普通物质自己聚集起来,可以说几乎不可能。

之前在“创世遗迹”那期里说过,在背景辐射出现前,光子和物质是耦合的,那时候的光子会阻止物质聚集。只有到了光子脱耦之后(也就是跑出去成了背景辐射后),这时候物质才能够开始相互聚集。但是与此同时宇宙可没闲着,它一直在疯狂膨胀。经过了 38 万年,这时候的宇宙已经不再是颗“受精卵”,不说成年吧,至少也算是“满月”了。这个时候的普通物质如果仍靠一己之力来聚集,那就很难了,138 亿年肯定不够。真要长成今天这模样,宇宙可能要花上千万亿年的时间,甚至于根本就不可能演化成今天这样子。

面对早晚都不行的两难情况,暗物质表示:“还得我来!”

由于暗物质不参与电磁相互作用,所以它可以不像普通物质那样被早期的光子束缚,它们完全可以凭借自身引力早早就开始聚集。而且那个时候的宇宙还不大,加上暗物质总量也比普通物质要多,因此聚集起来就相对比较容易。于是乎,你膨胀你的,我聚集我的。等到光子退耦的时候,这些暗物质就已经聚集得差不多了。有了暗物质这个框架,之后普通物质再聚集起来就没那么难了。这也是为什么说暗物质决定了今天宇宙的质量分布,包括为什么说大部分星系都含有暗物质。

在此基础上,最近有科学家提出了一个大胆的猜测,就是暗物质虽然诞生于光子退耦之前,但是它的出现可能比想象的要晚。研究人员认为,暗物质的形成或许是个独立于普通物质的单独事件,甚至于出现它的时候,宇宙中氢、氦这些元素的原子核都已经形成了。

在这个理论中,原本的宇宙空无一物,有的只是真空且势能很高,你也可以叫它“假真空”。随着大爆炸,假真空的势能得以释放并形成了真真空,同时这些能量逐渐转化成了普通物质。但是在这片假真空中存在着一部分特殊的区域,它们被称为“暗区”。这些暗区没有随着当初的大爆炸一起衰变成真真空,而是在那之后独自发生了相变。

当真空发生相变时,它会从一个点向四面八方扩散开,看起来就像一个膨胀的气泡。暗区的相变使得宇宙中出现了许许多多这样的“气泡”。随着假真空的能量转变为“气泡壁”的动能,这些气泡开始变得越来越大。于是,不可避免地一些气泡发生了碰撞,暗物质粒子便是在这些碰撞中形成的。

随着越来越多的碰撞发生,暗物质被大量地制造出来。如果产生普通物质的相变是第一次大爆炸的话,那么后来产生暗物质的这次相变则可以看做是第二次大爆炸,研究人员称其为“暗物质大爆炸”或者“暗大爆炸”。

经历了暗物质大爆炸后,宇宙中的暗物质粒子越来越多,当密度高到一定程度时,它们之间会相互碰撞从而发生湮灭。湮灭反应的存在使得暗物质粒子的数目不至于失控:粒子多了湮灭就频繁,于是粒子数量就得到了削减。这个过程直到宇宙的膨胀速率超过了暗物质湮灭速率后才结束,之后暗物质的总量才算是固定了下来,不再变化。于此同时呢,这些生成的暗物质相互聚集,慢慢地搭建出了今天宇宙中物质分布的整体框架。

理论虽是如此,如何寻找证据呢?

由于暗物质粒子不参与电磁相互作用,所以常规的探测手段都不好用。目前更多是通过一些间接方式来探测,比如通过寻找暗物质湮灭后产生的特殊粒子,中国的“悟空号”利用的就是这种方式。

然而如今的暗物质已经相对稀疏,加上不参与电磁作用,所以它不能像普通物质那样形成恒星、行星这样的高密度天体。或许也是因为这个,直到今天我们也没能捕捉到暗物质湮灭产生的粒子。

不过今天这个理论,它给出的是另一种探测方式 —— 引力波。暗大爆炸的空间相变会产生特殊的引力波,只是这些引力波随着空间的膨胀,波长已经被拉得极为夸张,至少要以光年来计,这已经远远超出了 LIGO 这样的引力波探测器的能力范围。

面对这种超低频、诞生于宇宙早期的原初引力波,我们该如何探测呢?还记得我们之前介绍过的脉冲星计时阵列(PTA)吗?通过将多颗脉冲星组成计时阵列,从而构造一个光年尺度的、极为敏感的引力波探测器。通过这种探测器,我们就具有了捕捉低至 nHz 频率引力波的能力。

看到没,“只要思想不滑坡,办法总比困难多。”希望未来我们能够尽早揭开暗物质的面纱,以帮助我们更进一步地探寻宇宙的奥秘。

参考资料:

  • [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter

  • [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_nucleosynthesis

  • [3] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.107.083522

  • [4] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.061302

本文来自微信公众号:Linvo 说宇宙 (ID:linvo001),作者:Linvo

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