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暗物質起源之謎被解開?一篇新的論文聲稱宇宙發生了第二次大爆炸!
2023/03/25

根據現有的模型,宇宙的起源是由一次大爆炸引發的,

大爆炸之后,宇宙經歷了一個快速而驚人的膨脹時期,稱為暴漲。

當前能解釋宇宙發展的模型為大爆炸理論。大爆炸模型指出,宇宙最早處于溫度與密度極高的狀態中,接著開始膨脹。該模型基于廣義相對論與空間同質性、各向同性等簡單推論而來。

暴漲是由一種奇特的量子場驅動的,這種場充滿了整個時空。暴漲結束時,這個場衰變成了一陣粒子和輻射,引發了我們通常認為是宇宙開始的「熱大爆炸」。

這些粒子最終形成了宇宙中第一批原子,并在數億年后開始聚集成恒星和星系。

但是,宇宙中還有另一種成分:暗物質。暗物質是什麼,我們不太清楚,但我們可以通過它對普通物質的引力影響來推斷它的存在。

星系團CL0024+17內部被發現存在有一個暗物質圈,在這張哈勃太空望遠鏡像片里以藍色顯示出來。在宇宙學中,暗物質是指不與電磁力產生作用的物質,也就是不會吸收、反射或發出光。人們目前只能透過重力產生的效應得知,而且已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。 現代天文學經由引力透鏡、宇宙中[[[大尺度]]]結構的形成、微波背景輻射等方法和理論來探測暗物質。

在最簡單的模型中,暴漲結束和隨之而來的熱大爆炸也同時向宇宙注入了暗物質,而暗物質則沿著一條獨立的軌跡演化。但這個假設只是為了簡化問題,兩位天體物理學家在最近發表在預印本數據庫arXiv上的一篇論文中提出了一個新的觀點。

暗物質在這張哈勃望遠鏡 Cl0024+1654 星系團圖像中表現為藍光

他們指出,我們直到很晚才能看到暗物質的存在證據,因為暗物質需要一定的時間才能產生引力效應,所以沒有必要假設它在熱大爆炸中與普通物質同時充斥著宇宙。而且,由于暗物質不與普通物質相互作用,它可能有自己的「暗大爆炸」,他們聲稱。

在他們的論文中,這兩位研究者探討了一個暗大爆炸會是什麼樣子。他們認為,在大爆炸后不久(約一個月),一個類似于量子場的實體開始衰變,并釋放出大量的能量和粒子。這些粒子就是我們今天所說的暗物質。

冷暗物質模式下星系團、尺度較大纖維狀結構與暗能量的構成圖。本圖顯示了4,300萬秒差距(1.4億光年)范圍內,紅移值從30至現今的結構演化。

他們在論文中指出,這個過程類似于普通物質形成時所經歷的情況,只不過時間稍微滯后,并且沒有與其他任何東西相互作用。

那麼,如何檢驗這個假設呢?作者提出了一個可能的方法:觀測引力波。

中子星并合(Neutron star merger)是一種恒星碰撞,其發生方式類似于兩顆白矮星合并所致的Ia超新星。當兩顆中子星緊密地相互繞行時,它們會因為引力輻射的關系而隨著時間的推移向內旋轉,最終會發生碰撞,并形成更大品質的中子星或黑洞(會變成哪種情況取決于殘馀物的品質是否超過歐本海默極限)。

引力波是時空本身產生的波動,可以由強烈而快速變化的引力源產生。例如,在兩個黑洞或中子星合并時就會產生引力波,并被地球上的探測器捕獲到。

如果真有一個暗大爆炸發生過,那麼在那個時刻也會產生巨大而強烈的引力波信號,并且與普通大爆炸產生的信號有所區別。

在廣義相對論里,引力波是時空的漣漪。當投擲石頭到池塘里時,會在池塘表面產生漣漪,從石頭入水的位置向外傳播。當帶品質物體呈加速度運動時,也會在時空產生漣漪,從帶品質物體位置向外傳播,這種時空的漣漪就是引力波。

目前還沒有探測器能夠探測到這樣早期產生的引力波信號,但未來可能會有。作者估計,如果暗大爆炸真的發生過,那麼它產生的引力波信號應該在頻率上介于10^9到10^7赫茲之間,這是目前尚未探測到的范圍。

他們認為,未來的空間引力波探測器,如歐洲空間局計劃中的LISA(激光干涉空間天線)項目,或者地面上的原子干涉儀,可能有機會探測到這個信號,并驗證或否定他們的理論。

表示宇宙中不同能量密度組成比例的餅圖,根據與觀測最相符合的ΛCDM模型,有95%的成分都以充滿奇異性質的暗物質和暗能量形式存在。

這個理論還有一個有趣的推論:它可以解釋為什麼暗物質和普通物質的比例是80:20。如果兩者都是在同一時刻產生的,那麼這個比例就很難理解,因為它看起來太巧合了。

但是如果暗物質是在稍后產生的,并且與普通物質沒有直接聯系,那麼這個比例就可以由兩次不同的衰變過程決定,并且可以有很大的變化。作者認為,他們的理論可以自然地解釋這個觀測事實。

當然,這個理論還只是一個假設,并且需要更多的證據和檢驗才能成為主流觀點。但它至少提供了一個新穎而有趣的思路,讓我們對宇宙中最神秘而重要的成分之一有了更多的想象空間。

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