新理论认为宇宙气泡可能制造了暗物质

这项新研究发表于10月9日的《物理评论快报》。新研究或可确切地解释，暗物质从早期宇宙热汤中凝结出来的方式。自从1933年天文学家弗里茨·兹威基首次提出暗物质的存在以来，大量的观测证据表明，黑暗中躲藏着一些东西，不仅肉眼看不见，甚至最先进的科学仪器也看不到。我们只能从暗物质施加于天文学家所能观测到的恒星和星系上的引力牵引，来寻得暗物质的蛛丝马迹。这种引力的量级可以让科学家估算出宇宙中暗物质的百分比；当前估算显示，暗物质占到了宇宙质量的80%。

研究的共同作者、休斯顿莱斯大学物理学助理教授安德鲁·朗说：“尽管我们知道宇宙中包含多少暗物质，但数十年来，我们一直不太清楚暗物质的性质和来源。暗物质是基本粒子的集合吗？如果是的话，这些粒子又具有怎样的性质？比如它们的质量和自旋？这些粒子会施加什么力，以及它们之间存在怎样的相互作用？暗物质是什么时候形成的，在它们的形成过程中，相互作用又起到了怎样的重要作用？”

澳大利亚墨尔本大学的物理学家迈克尔·贝克、德国美因茨大学的物理学家约阿希姆·柯普，以及朗，希望回答这最后一个问题——暗物质是什么时候以及如何形成的。朗说，他们研究了宇宙形成的最早时期，也就是大爆炸开始后不到一毫微秒的那一瞬间，即粒子形成与湮灭的“狂野西部”时间。在此期间，粒子刚一形成就互相碰撞、湮灭。彼时，宇宙是极高能量的基本粒子构成的热汤，类似于今天的物理学家在大型粒子加速器中制造的夸克胶子电浆。这种原始汤异常炙热稠密，而且无比混乱，更为有序的亚原子粒子如质子和中子根本无法形成。

但是这一宇宙的“狂野西部”时代并没有持续太久。宇宙开始膨胀后，等离子体逐渐冷却，新粒子的产生戛然而止。与此同时，粒子间彼此分开，碰撞速度骤然下降，直至粒子数量保持不变。科学家将留存下来的粒子成为“热残存粒子”。这些热残存粒子随后变成了如今我们所知所爱的物质，如原子、恒星，甚至我们人类自己。“除了今天已知的所有基本粒子之外，我们有理由去想象，宇宙早期还存在一些其他的粒子，比如暗物质，”朗说。

科学家们相信，这些假设的粒子可能也以热残存粒子的形式存在于今日。在这项新的研究中，研究团队假设，在大爆炸之后的瞬间，等离子体经历了一次相变，该相变类似于物质从一种状态转变到另一种状态时所发生的情况，例如沸腾的水壶中形成的水汽泡，或者蒸汽冷却后形成水滴等。

在这种情况下，冷却的等离子体气泡在早期宇宙热汤中突然形成。这些气泡膨胀又合并，直至整个宇宙进入下一个新阶段。

“当这些气泡在整个宇宙中膨胀时，它们就像过滤器一样，将暗物质从等离子体中筛选出来，”朗说，“通过这种方式，我们当今在宇宙中测量到的暗物质数量就是大爆炸后一瞬间，该过滤过程的直接结果。”

这些气泡壁会成为屏障。只有大质量的暗物质粒子才具有足够多的能量，可以穿越气泡的屏障进入到膨胀的气泡内部，从而躲过“狂野西部”。而其他较轻的粒子则在这期间湮灭。这可以过滤掉低质量的暗物质粒子，并解释当今观察到的大量暗物质。

暗物质最有希望的候选者之一是大质量弱相互作用粒子（WIMPs）。这些假设的粒子质量可以达到质子的10倍至100倍，但它们仅通过两种基础自然力量——引力和弱核力——与物质产生相互作用。它们像幽灵一般穿过宇宙，这也可以解释天文学家们（如兹威基）在近一个世纪前首次注意到的暗物质缘何神秘消失。

为寻找WIMPs，物理学家们在地底下建造了巨大的先进探测器。但是，尽管这数十年来人们一直在寻找这些神秘的粒子，我们仍一无所获。这使得近年来，科学家开始寻找比WIMPs更轻或更重的其他暗物质粒子候选者。

“我们的研究创意中一个比较令人期待的地方是，它适用于比其他大多数候选者（比如著名的WIMPs）都来得重的暗物质粒子。过去，大多数研究都集中在寻找WIMPs上，”研究的共同作者柯普说，“因此，我们的研究可以促使暗物质的搜寻范围向更重的粒子领域拓展。”

这项研究还可以为其他未来项目提供寻找暗物质的机会，比如激光干涉仪空间天线（LISA）。LISA是一系列跨越数百英里的太空探测器，旨在探索宇宙中的引力波涟漪。

如果朗和他的同事设想的宇宙气泡确实存在于宇宙早期，它们可能会通过引力波留下可检测到的痕迹。两个气泡壁碰撞产生的一部分能量，或许会形成日后实验中可以检测到的引力波。

该研究团队还计划扩大他们的研究范围，以更多地了解暗物质与气泡壁相互作用时会发生什么，以及气泡什么时候发生碰撞。“我们知道暗物质就在那里，但除此之外一无所知，”贝克说，“如果这是一种新粒子，那么我们也许会有很大机会，可以在实验室中检测到它。然后，我们可以确定它的性质，比如质量和相互作用，并进一步了解宇宙。”（匀琳）