在現(xiàn)如今的宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)通常認(rèn)為是在大爆炸伊始隨著普通物質(zhì)一起誕生的。然而，這種假設(shè)除了簡單以外，似乎沒有什么證據(jù)可以證明它。2023 年 4 月，一篇發(fā)表在《物理評論 D》上的文章表示，暗物質(zhì)可能并不來源于當(dāng)初的大爆炸，或許我們的宇宙還經(jīng)歷了第二次大爆炸 —— 暗物質(zhì)大爆炸。
在講具體的內(nèi)容之前，我覺得有必要先說兩句。每當(dāng)說到暗物質(zhì)，總會有人表示不屑：“什么暗物質(zhì)，不就是新的以太嘛！這玩意兒也許根本就不存在！”
雖然“暗物質(zhì)”目前仍然是一種假說，但是它的提出確實(shí)可以解釋一些僅憑現(xiàn)有理論無法解釋的事情：比如星系的旋轉(zhuǎn)曲線問題、宇宙微波背景的波動問題，還有各種各樣的引力透鏡現(xiàn)象等等。
可以說，暗物質(zhì)存不存在其實(shí)并不重要，重要的是我們要有一套行之有效能夠解釋現(xiàn)象的理論。那怕是“修正牛頓動力學(xué)（MOND）”這種對引力理論進(jìn)行修改的方式，也是可以的，只要能解決問題就行。而就目前來說，引入暗物質(zhì)（尤其是運(yùn)動緩慢的冷暗物質(zhì)）是現(xiàn)階段能夠解釋那些異?，F(xiàn)象最好用的方式，沒有之一。
現(xiàn)在的問題在于，雖然我們假設(shè)暗物質(zhì)存在，但是我們并不清楚它究竟是什么。目前已知的所有普通物質(zhì)，我們都能在粒子物理中找到其對應(yīng)的基本粒子。但是暗物質(zhì)呢，我們不僅找不到合適的粒子，對它的性質(zhì)（除了引力）我們也是全靠猜測，包括它的起源問題。
相較于研究宇宙如何演化的標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型，大爆炸核合成理論是專門研究宇宙中的物質(zhì)是如何起源的。比如各種粒子是什么時(shí)候出現(xiàn)的；氫氦這種輕元素是如何一步步形成的等等。但是相對于普通物質(zhì)，現(xiàn)如今對暗物質(zhì)的起源不能說一無所知吧，但也是一知半解。
通常認(rèn)為，暗物質(zhì)的出現(xiàn)應(yīng)該是在暴脹時(shí)期到背景輻射（也就是之前說的最后散射面）出現(xiàn)前的這段時(shí)間。這是一段以“萬年”來計(jì)的時(shí)間跨度，雖然相較于整個(gè)宇宙演化來說“萬年”只是很短的“一瞬間”，但是要知道，目前我們對普通物質(zhì)起源的描述是可以精確到“分鐘”甚至是“秒”級的。沒錯(cuò)，就是大爆炸后多少分鐘發(fā)生了什么，多少多少秒發(fā)生了什么。
很多人覺得這種說法很扯，但不可否認(rèn)，這些結(jié)論在如今的高能實(shí)驗(yàn)中我們多少還是能找到些線索的，包括天文觀測上的證據(jù)也能提供相應(yīng)的支持。
然而面對暗物質(zhì)時(shí)，除了引力，實(shí)驗(yàn)上至今沒有特別靠譜的證據(jù)出現(xiàn)。不過這也正常，誰讓現(xiàn)在物理學(xué)，理論早就把實(shí)驗(yàn)甩開了幾條街了。以前都是先發(fā)現(xiàn)個(gè)現(xiàn)象，然后再去找理論解釋。但現(xiàn)在更多的是，先整一堆理論出來，然后再通過實(shí)驗(yàn)找出其中最合適的那個(gè)。注意：這里我用的是“最合適”而不是“最正確”。
先有理論支持，理論給實(shí)驗(yàn)指個(gè)方向，然后再去做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這個(gè)邏輯無可厚非，不然面對一些虛無縹緲的東西，只能像個(gè)無頭蒼蠅一樣四處亂撞。對于暗物質(zhì)的起源問題，自然也是這個(gè)情況。
通常認(rèn)為，暗物質(zhì)是與所有的普通物質(zhì)（包括輻射）一同誕生于大爆炸初期。甚至有些人認(rèn)為，暗物質(zhì)比普通物質(zhì)出現(xiàn)的還早，早在連夸克這種粒子都還沒有出現(xiàn)的時(shí)候，暗物質(zhì)粒子或許就已經(jīng)遍布于宇宙的各個(gè)角落了。雖然這些只是假設(shè)，沒有什么過硬的證據(jù)，但是至少有一點(diǎn)，大家都表示認(rèn)可，就是前面說的：暗物質(zhì)應(yīng)該出現(xiàn)在暴脹時(shí)期到宇宙微波背景出現(xiàn)前的這段時(shí)間內(nèi)，這點(diǎn)也正是暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)之一。
為什么呢？因?yàn)槿绻麤]有暗物質(zhì)，天體（尤其是星系、星系團(tuán)這種大尺度天體）它們?nèi)科胀ㄎ镔|(zhì)自己聚集起來，可以說幾乎不可能。
之前在“創(chuàng)世遺跡”那期里說過，在背景輻射出現(xiàn)前，光子和物質(zhì)是耦合的，那時(shí)候的光子會阻止物質(zhì)聚集。只有到了光子脫耦之后（也就是跑出去成了背景輻射后），這時(shí)候物質(zhì)才能夠開始相互聚集。但是與此同時(shí)宇宙可沒閑著，它一直在瘋狂膨脹。經(jīng)過了 38 萬年，這時(shí)候的宇宙已經(jīng)不再是顆“受精卵”，不說成年吧，至少也算是“滿月”了。這個(gè)時(shí)候的普通物質(zhì)如果仍靠一己之力來聚集，那就很難了，138 億年肯定不夠。真要長成今天這模樣，宇宙可能要花上千萬億年的時(shí)間，甚至于根本就不可能演化成今天這樣子。
面對早晚都不行的兩難情況，暗物質(zhì)表示：“還得我來！”
由于暗物質(zhì)不參與電磁相互作用，所以它可以不像普通物質(zhì)那樣被早期的光子束縛，它們完全可以憑借自身引力早早就開始聚集。而且那個(gè)時(shí)候的宇宙還不大，加上暗物質(zhì)總量也比普通物質(zhì)要多，因此聚集起來就相對比較容易。于是乎，你膨脹你的，我聚集我的。等到光子退耦的時(shí)候，這些暗物質(zhì)就已經(jīng)聚集得差不多了。有了暗物質(zhì)這個(gè)框架，之后普通物質(zhì)再聚集起來就沒那么難了。這也是為什么說暗物質(zhì)決定了今天宇宙的質(zhì)量分布，包括為什么說大部分星系都含有暗物質(zhì)。
在此基礎(chǔ)上，最近有科學(xué)家提出了一個(gè)大膽的猜測，就是暗物質(zhì)雖然誕生于光子退耦之前，但是它的出現(xiàn)可能比想象的要晚。研究人員認(rèn)為，暗物質(zhì)的形成或許是個(gè)獨(dú)立于普通物質(zhì)的單獨(dú)事件，甚至于出現(xiàn)它的時(shí)候，宇宙中氫、氦這些元素的原子核都已經(jīng)形成了。
在這個(gè)理論中，原本的宇宙空無一物，有的只是真空且勢能很高，你也可以叫它“假真空”。隨著大爆炸，假真空的勢能得以釋放并形成了真真空，同時(shí)這些能量逐漸轉(zhuǎn)化成了普通物質(zhì)。但是在這片假真空中存在著一部分特殊的區(qū)域，它們被稱為“暗區(qū)”。這些暗區(qū)沒有隨著當(dāng)初的大爆炸一起衰變成真真空，而是在那之后獨(dú)自發(fā)生了相變。
當(dāng)真空發(fā)生相變時(shí)，它會從一個(gè)點(diǎn)向四面八方擴(kuò)散開，看起來就像一個(gè)膨脹的氣泡。暗區(qū)的相變使得宇宙中出現(xiàn)了許許多多這樣的“氣泡”。隨著假真空的能量轉(zhuǎn)變?yōu)椤皻馀荼凇钡膭幽?，這些氣泡開始變得越來越大。于是，不可避免地一些氣泡發(fā)生了碰撞，暗物質(zhì)粒子便是在這些碰撞中形成的。
隨著越來越多的碰撞發(fā)生，暗物質(zhì)被大量地制造出來。如果產(chǎn)生普通物質(zhì)的相變是第一次大爆炸的話，那么后來產(chǎn)生暗物質(zhì)的這次相變則可以看做是第二次大爆炸，研究人員稱其為“暗物質(zhì)大爆炸”或者“暗大爆炸”。
經(jīng)歷了暗物質(zhì)大爆炸后，宇宙中的暗物質(zhì)粒子越來越多，當(dāng)密度高到一定程度時(shí)，它們之間會相互碰撞從而發(fā)生湮滅。湮滅反應(yīng)的存在使得暗物質(zhì)粒子的數(shù)目不至于失控：粒子多了湮滅就頻繁，于是粒子數(shù)量就得到了削減。這個(gè)過程直到宇宙的膨脹速率超過了暗物質(zhì)湮滅速率后才結(jié)束，之后暗物質(zhì)的總量才算是固定了下來，不再變化。于此同時(shí)呢，這些生成的暗物質(zhì)相互聚集，慢慢地搭建出了今天宇宙中物質(zhì)分布的整體框架。
理論雖是如此，如何尋找證據(jù)呢？
由于暗物質(zhì)粒子不參與電磁相互作用，所以常規(guī)的探測手段都不好用。目前更多是通過一些間接方式來探測，比如通過尋找暗物質(zhì)湮滅后產(chǎn)生的特殊粒子，中國的“悟空號”利用的就是這種方式。
然而如今的暗物質(zhì)已經(jīng)相對稀疏，加上不參與電磁作用，所以它不能像普通物質(zhì)那樣形成恒星、行星這樣的高密度天體。或許也是因?yàn)檫@個(gè)，直到今天我們也沒能捕捉到暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的粒子。
不過今天這個(gè)理論，它給出的是另一種探測方式 —— 引力波。暗大爆炸的空間相變會產(chǎn)生特殊的引力波，只是這些引力波隨著空間的膨脹，波長已經(jīng)被拉得極為夸張，至少要以光年來計(jì)，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 LIGO 這樣的引力波探測器的能力范圍。
面對這種超低頻、誕生于宇宙早期的原初引力波，我們該如何探測呢？還記得我們之前介紹過的脈沖星計(jì)時(shí)陣列（PTA）嗎？通過將多顆脈沖星組成計(jì)時(shí)陣列，從而構(gòu)造一個(gè)光年尺度的、極為敏感的引力波探測器。通過這種探測器，我們就具有了捕捉低至 nHz 頻率引力波的能力。
看到?jīng)]，“只要思想不滑坡，辦法總比困難多?！毕Ｍ磥砦覀兡軌虮M早揭開暗物質(zhì)的面紗，以幫助我們更進(jìn)一步地探尋宇宙的奧秘。
參考資料：
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_nucleosynthesis
[3] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.107.083522
[4] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.061302
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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