暗物质到底是什么?

一直以来人们都认为暗物质是“弱互作用大质量粒子”,但最近有一批科学家提出了新方案。

大尺度宇宙中的暗物质密度分布,从左至右逐渐过渡到气体密度分布。Illustris

宇宙学标准模型告诉我们,宇宙中普通物质只有4.9%,剩下26.8%是暗物质,68.3%是暗能量。顾名思义,我们看不到暗物质,因此它们的存在只能依据理论模型,或观测宇宙的大尺度结构,以及它们对可见物质产生的明显引力作用来推断。

自从暗物质理论被提出以来,不乏许多对暗物质粒子是什么的推测。不久以前,许多科学家提出,暗物质是由“弱互作用大质量粒子(WIMPs)”构成的,它们的质量是质子的100倍,但相互作用的方式和中微子类似。然而,所有利用对撞实验来寻找暗物质粒子的努力都一无所获。因此有一些科学家开始怀疑,暗物质是不是由另外一种完全不同的东西构成的?

当前的宇宙学模型倾向于假设暗物质粒子的质量在100吉电子伏左右,这与另外一些通过弱互作用力发生作用的粒子质量尺度相符。这样一种粒子的存在,符合粒子物理标准模型中的超对称外延。人们进一步相信,这样的粒子产生自炽热致密的早期宇宙,且把质量和密度一直保持到了今天。

根据超对称理论,“弱互作用大质量粒子”会相互湮灭,产生一系列的粒子和辐射,包括中等强度的伽玛射线。天空和望远镜 / Gregg Dinderman

然而,人们无法在实验中找到这类粒子存在的任何具体证据。无论是在邻近星系和星系团中寻找这类粒子发生湮灭时产生的线索(如伽玛射线,中微子和宇宙射线),还是使用强大的粒子对撞机进行直接检测,结果都是一样。

因此,许多科研团队开始考虑跳出“弱互作用大质量粒子”的框架,来寻找暗物质。比如一个丹麦的宇宙学家小组,最近发表了他们的研究成果,他们认为暗物质可能比之前人们想像的要重得多,它们的相互作用也要微弱得多。

团队中的McCullen Sandora博士这样说:

“我们还不能排除‘弱互作用大质量粒子’这样的方案,但是多年来我们都一无所获。弱层次结构问题带来了非常大的麻烦。为什么我们所知的粒子都那么轻,尤其是相对于大自然的引力尺度而言。引力尺度,也就是普朗克尺度,大约在10^19吉电子伏左右。因此如果暗物质存在于普朗克尺度附近,就不会带来层次结构问题,而这也能够解释为什么我们看不到任何与‘弱互作用大质量粒子’有关的迹象。”

他们采用了一种被称为“普朗克互作用暗物质(PIDM)”的新模型,来探索暗物质质量的上限。“弱互作用大质量粒子”把目光放在了弱电力尺度的上限,而这批丹麦学者认为,暗物质存在于另一种完全不同的自然尺度——普朗克尺度上。

宇宙时间线,从大爆炸到今天。NASA

在普朗克尺度上,一个质量单元等于2.17645×10^-8千克,大致相当于1微克,或是质子质量的10^19倍。以此计算,每个“普朗克互作用暗物质”基本单元的质量都接近于粒子质量的极限,再重它们就要变成迷你黑洞了。这些科学家还提出了一个理论,认为这些暗物质大批形成于宇宙的极早期——“再热期”——这一时期发生在“暴胀期”结束时,大致上是“大爆炸”后10^-36秒至10^-33秒或10^-32秒之间。

这一时期之所以被称为“再热”,是因为在暴胀期间,宇宙的温度下跌了10万倍左右。暴胀一旦结束,温度便开始回升到暴胀前的水平(大约10^27K)。此刻,暴胀场中的巨大潜在能量开始衰减为遍布整个宇宙的标准模型粒子,而暗物质可能就包含其中。

这个理论对宇宙学家的许多推断都是有启示性的。比如要使这个模型行得通,再热期的温度就必须比当前的假设要高。一个温度更高的再热期则会导致更多原初引力波的产生,而这理应能够在宇宙微波背景中看得到。

“这么高的温度告诉我们,有两件与暴胀有关的事情非常有趣,”Sandora说。“假如暗物质的确存在于普朗克尺度上,暴胀必然发生在极高的能量级上,也就是说它不但能够在早期宇宙的温度中产生涨落,还能够使时空本身发生涨落,产生引力波。其次,它告诉我们暴胀能量必然会极快地衰减为物质,因为如果持续时间太长,宇宙的冷却便会使得存在于普朗克尺度上的暗物质完全无法产生。”

未来对宇宙微波背景的研究,可能会告诉我们暗物质的真相。NASA / WMAP

这类引力波存在与否,可以在未来对宇宙微波背景的研究中加以证实或排除。而这同样也是一个令人兴奋的消息,因为最近人们成功地直接检测到引力波,无疑鼓舞了检测原初引力波——这种极早期宇宙产物的努力。

Sandora认为对于科学家来说,这是双赢的,无论这种暗物质的最新候选者在不久的将来被证实还是被排除。

“我们的设想是具体的:我们打算在下一代的宇宙微波背景实验中寻找这些引力波。实际上,这样的设想不会有什么坏处:假如我们发现了它们,那太好了;假如我们没有看到,那我们就会知道暗物质并不是这种东西,我们也就会明白和普通物质发生作用的,肯定是别的什么。而谜底肯定会在下个十年左右的时间内揭晓,这将给我们带来许多期待。”

自Jacobus Kapteyn 1922年提出存在暗物质的假设以来,科学家一直在寻找这种物质存在的直接证据。从“引力子”到“晕族大质量致密天体(MACHOS)”到轴子——众多的候选者被一一提出,被一一称重,被一一寻找。假如别无他物,那么这种最新的暗物质候选者无论在不远的将来被证实还是被排除,都是我们所乐意见到的事。

假如它被证实,那么宇宙学中最大的谜团就会被解开。人类在了解宇宙及其神秘作用力的道路上会迈出一大步。无论有没有万物理论,我们都在不断向前。

Matt Williams 文 / 老孙


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