暗物质是在大爆炸之前出现的吗-

时间:2020-01-02 17:18 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

暗物质是在大爆炸之前出现的吗-

暗物质是一种奇特的物质,其数量似乎是普通物质的五倍。现在,约翰·霍普金斯大学的一位物理学家概述了一种新的理论,这种理论有助于解释这种现象,但同时也使它显得更加怪异。根据这项研究,暗物质可能在大爆炸之前就已经形成了。

今天,宇宙在膨胀,所有的东西都在加速远离其他的东西。按照这个逻辑,如果你把时间往回追溯,所有的东西都会变得越来越近,直到最后你发现一个时间点,所有的东西都被塞进一个极小的空间——一个密度无限的奇点。

今天存在的所有物质都是从这个奇点在一个史诗般的爆炸中产生的,通常被称为大爆炸,大约在137亿年前。暗物质被认为是像普通物质一样从大爆炸中产生的,它似乎是我们所看到的宇宙大尺度结构的原因。

暗物质

随着宇宙的增长,暗物质密度的微小波动意味着在质量更大的区域,膨胀会减慢。暗物质的额外质量的引力吸引了正常物质到这个区域,随着物质密度的增加,它最终坍塌并燃烧成第一颗恒星。这就解释了为什么恒星倾向于聚集在星系中,而星系反过来又聚集成星团。

虽然暗物质通过其对正常物质的引力影响而为人所知,但它对其他基本力来说是完全看不见的,这使得研究变得很棘手。因此,我们并不真正知道它是由什么组成的,但候选粒子并不缺乏。

建议的候选粒子包括暗光子、弱相互作用的大质量粒子(WIMPs)、轴子,甚至像矮行星那么大、像中子星那么稠密的“宏观”粒子。不幸的是,尽管设计了大量的实验来检测它们,但目前还没有任何迹象表明这些候选者的出现。

根据这项新研究,这是因为暗物质——不管它是什么——是在大爆炸期间产生的假设。

“如果暗物质真的是大爆炸的残余,那么在许多情况下,研究人员应该已经在不同的粒子物理实验中看到了暗物质的直接信号,”该研究的作者之一Tommi Tenkanen说。

那么另一种选择是什么呢?根据Tenkanen的说法,暗物质可能在大爆炸之前就存在了。

在宇宙大爆炸之前

首先,宇宙永远不会热到达到奇点。除此之外,我们还观察到宇宙的两个特征,它们暗示着更多的东西:宇宙在空间上似乎是平坦的,而不是弯曲的。温度的波动在各个方向上都是一样的。

这两件事可以通过一个叫做宇宙膨胀的理论来解释,宇宙膨胀是指宇宙以指数方式膨胀的时期。该理论认为,这一时期在137亿年前结束,当时爆发了我们通常称之为大爆炸的物质,然后宇宙以不同的速度继续膨胀。这意味着大爆炸让我们现在称之为家的宇宙开始运转——但这并不是一切的开始。举个例子:暗物质本身。

早期的暗物质

新的研究表明,虽然常规物质是在大爆炸期间产生的,但暗物质出现得更早,在宇宙膨胀期间。随着宇宙的迅速膨胀,它产生了一种称为标量的粒子,其自旋整数为0。迄今为止,只发现了一种类型的标量粒子——著名的希格斯玻色子——但根据Tenkanen的说法,暗物质可能也属于这一类。

Tenkanen提出了他所描述的关于暗物质起源的最简单的数学方案。在这个框架中,暗物质是一种标量粒子,是在宇宙膨胀期间产生的,重要的是,它很好地解释了我们已经测量过的暗物质和规则物质之间的相互作用。

“我们不知道暗物质是什么,但如果它与任何标量粒子有关,它可能比大爆炸还要古老,”Tenkanen说。“有了提出的数学方案,我们就不必假设除了重力之外的可见物质和暗物质之间存在新的相互作用,我们已经知道它们的存在了。”

很方便的是,这种形式的暗物质恰好符合我们所知的故事的其余部分。大爆炸之后,已经存在的暗物质的斑片状结构可以继续影响普通物质聚集的方式,最终形成我们今天看到的星系和星团。

这意味着这个理论可以通过研究这些宇宙结构来支持,甚至可能告诉我们更多关于这个神秘的大爆炸前的时间。

“这项研究揭示了粒子物理学和天文学之间的新联系,”Tenkanen说。“如果暗物质由大爆炸前产生的新粒子组成,它们将以一种独特的方式影响星系在天空中的分布。这种联系可能被用来揭示他们的身份,并对大爆炸之前的时代做出结论。”

Tenkanen说,这些特殊的粒子很难用目前正在寻找其他候选粒子的实验探测到,但是即将发射的卫星,如欧洲航天局的欧几里德卫星可能会有所帮助。

“虽然这种类型的暗物质很难在粒子实验中被发现,但它可以在天文观测中被发现,”Tenkanen说。2022年欧几里得卫星发射后,我们将很快了解更多暗物质的起源。看到它将揭示关于暗物质的什么将是非常令人兴奋的,如果它的发现可以用来窥视大爆炸之前的时代。”

看看这个新理论是否有任何发展势头将是有趣的。另一些观点认为,暗物质的引力效应可能是质量为负的暗流体的影响,或者我们可能只是需要调整我们对引力本身的理解。

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