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暗物质可能产生于大爆炸之前 | Phys. Rev. Lett.

Weave 2019-08-14 最新文章 评论

许多人将大爆炸视为宇宙万物的起点,但这只是因为我们不确定大爆炸之前有什么。多个理论对大爆炸之前的宇宙提出了不同的设想,例如有观点认为宇宙暴胀发生在大爆炸之前。而最近一项新研究认为,暗物质可能就产生于大爆炸前的宇宙暴胀时期。

图片来源:Pixabay

来源 Johns Hopkins University

翻译 刘奇

审校 戚译引

暗物质被认为占宇宙质量的 80% 左右,是现代物理学中最难以解释的谜团之一。目前还无法解释暗物质究竟是什么,它又是如何形成的,但约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的最新一项研究表明,暗物质可能在大爆炸之前就已经存在了。

于 8 月 7 日发表在《Physical Review Letters》上的这项研究《Dark Matter from Scalar Field Fluctuations》对暗物质如何形成以及如何通过天文观测来识别暗物质提出了新的见解。

约翰霍普金斯大学物理学和天文学博士后、论文作者 Tommi Tenkanen 说:“这项研究揭示了粒子物理和天文学之间的新联系。如果暗物质由大爆炸前产生的未知粒子组成,那么它们会以独特的方式影响星系在天空中的分布方式。这种联系也可以用来揭示它们的身份,并帮助我们了解大爆炸之前的宇宙。”

虽然我们对暗物质的起源知之甚少,但天文学家已经证明它在星系和星系团的形成过程中扮演着至关重要的角色。虽然暗物质不能被直接观测,但科学家们可以通过观察它的引力如何影响可见物质的运动方式推测它的存在,了解它在宇宙空间中的分布。

长期以来,研究人员认为暗物质一定是大爆炸遗留下来的物质,也一直在寻找这样的物质。但时至今日,所有的相关实验研究都一无所获。

“如果暗物质真的是大爆炸的残余物,那么在许多情况下,研究人员就应该已经在不同的粒子物理实验中观测到暗物质的直接信号了,” Tenkanen 说。

该项研究使用一个简单的全新数学框架,表明暗物质可能产生于大爆炸之前的宇宙暴胀(cosmic inflation)时期,当时空间扩张的速度非常快。这种极速扩张会产生大量特定种类的粒子,称为标量粒子。到目前为止学界只发现了一种标量粒子,也就是著名的希格斯玻色子。

Tenkanen 解释道:“我们不知道暗物质由什么物质组成,但如果它的成分与任何标量粒子有关,它就有可能比大爆炸还要古老。根据研究提出的数学模型,我们不必假设在可见物质和暗物质之间存在引力以外的新的相互作用,而引力的存在是我们已经知道的。”

虽然暗物质在大爆炸之前就已经存在的观点并不新鲜,但其他理论物理学家还没有找到支持这一观点的计算方法。Tenkanen 说,他的最新研究表明,研究人员一直忽略了有关暗物质起源的最简单的数学假设。

这项新研究还提出了一种方法,通过观察暗物质在宇宙物质分布上留下的特征来检验它的起源。

“虽然这类暗物质难以捉摸,很难在粒子实验中捕获,但我们可以通过天文观测证实它的存在。‘欧几里得’(Euclid)卫星计划于 2022 年发射,我们很快能够通过它更深入地了解暗物质的起源。真想看看卫星将给我们带来有关暗物质的什么信息,这些发现又能否帮助我们了解大爆炸之前的时间,这太令人兴奋了。” Tenkanen 说。

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