新理论认为暗物质可能起源于宇宙大爆炸之前

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“大爆炸宇宙学”认为宇宙是在137亿年前的一场大爆炸之后,由于一个密集而热的奇点的扩张而形成的。暗物质被认为是像传统物质一样从大爆炸中产生的 - 它似乎是我们所见过的宇宙大规模结构的原因。

暗物质

随着宇宙膨胀,暗物质密度的微小波动意味着膨胀率在质量更大的区域减慢。暗物质的额外质量引力吸引了该区域的正常物质,随着物质密度的增加,它最终会在第一颗恒星处坍塌并发射。这就解释了为什么恒星倾向于在星系中积聚,而星系又聚集成星系团。

虽然有充分证据表明宇宙中存在大量暗物质,但暗物质尚未被直接检测到,使研究变得困难。因此,我们并不真正知道它是由什么构成的,但候选粒子并不缺乏。

科学家建议的候选人包括暗光子,弱相互作用的大质量粒子(WIMP),方位角,甚至像矮行星和中子星等致密粒子一样大的“宏观”粒子。不幸的是,尽管有许多旨在测试它们的实验,但没有出现任何这些候选者的迹象。

根据这项新的研究,原因是暗物质 - 无论它是什么 - 是在大爆炸期间产生的。 “如果暗物质确实是大爆炸的残余,那么在很多情况下,研究人员应该在不同的粒子物理实验中看到暗物质的直接信号,”研究作者Tommi Tenkanen说。

那么替代方案是什么?根据Tenkanen的说法,暗物质的起源可能早于大爆炸本身。

大爆炸之前

这个想法并不像听起来那么疯狂。在大多数人的心目中,宇宙大爆炸是所有时空的开始,以前什么也没有。但这可能不完全准确。一些物理学家说,宇宙微波背景为我们提供了关于大爆炸之前可能存在的东西的线索。

首先,宇宙永远不会热到足以达到奇点。最重要的是,有两个观察到的宇宙特征表现得更多:它似乎是扁平的,而不是弯曲的。并且温度波动在所有方向上平均相同。

这两件事可以通过一种称为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,我们称之为大爆炸的物质爆炸,然后宇宙继续以不同的速度膨胀。这意味着宇宙大爆炸发射了我们称之为家园的宇宙 - 但这不是一切的开始。插图:暗物质本身。

早期的暗物质

新的研究表明,尽管传统物质是在宇宙大爆炸期间产生的,但在宇宙膨胀期间,暗物质出现得更早。当宇宙迅速膨胀时,它会产生一个称为标量的粒子,其旋转为零。到目前为止,只发现了一种类型的标量粒子 - 着名的希格斯玻色子 - 但根据Tenkanen的说法,暗物质也可能属于这一类。

Tenkanen介绍了他所描述的暗物质起源的最简单的数学解。在这个框架中,暗物质是宇宙膨胀过程中产生的标量粒子。重要的是,它可以很好地解释我们测量过的暗物质和常规物质的相互作用。

“我们不知道暗物质是什么,但如果它与任何标量粒子有关,它可能比大爆炸更老,”Tenkanen说。 “通过提出的数学方案,我们不必假设可见物质和暗物质之间的新相互作用超出了引力,我们已经知道它存在于那里。”

方便的是,这种形式的暗物质完全适合我们所知道的故事的其余部分。在大爆炸之后,已经存在的暗物质斑块结构可以继续影响传统物质聚集在一起的方式,并最终形成我们今天看到的星系和星团。这意味着可以通过研究这些宇宙结构来支持这一理论,它甚至可以告诉我们更多关于这个神秘大爆炸之前的时间。

“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之前产生的新粒子组成,它们将以独特的方式影响星系在天空中的分布方式。这种联系可以用来揭示他们的身份,并得出关于大爆炸之前的时间的结论。“

Tenkanen说,目前正在寻找其他候选人的实验,很难找到这些特殊的粒子,但即将出现的卫星,如欧洲航天局的Eucliid可能会有所帮助。

“尽管在粒子实验中很难找到这种类型的暗物质,但它可以揭示它在天文观测中的存在,”Tenkanen说。当欧几里德卫星于2022年发射时,我们将很快了解暗物质的来源。如果它能揭示暗物质的含量以及它的发现是否可以用来监视大爆炸之前的时代,那将是非常令人兴奋的。

这项新研究发表在《物理评论快报》期刊上。