暗物质到底是什么？

一直以来人们都认为暗物质是“弱互作用大质量粒子”，但最近有一批科学家提出了新方案。

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1:08 Theory Of Everything 来自星空天文网

大尺度宇宙中的暗物质密度分布，从左至右逐渐过渡到气体密度分布。Illustris

宇宙学标准模型告诉我们，宇宙中普通物质只有4.9%，剩下26.8%是暗物质，68.3%是暗能量。顾名思义，我们看不到暗物质，因此它们的存在只能依据理论模型，或观测宇宙的大尺度结构，以及它们对可见物质产生的明显引力作用来推断。

自从暗物质理论被提出以来，不乏许多对暗物质粒子是什么的推测。不久以前，许多科学家提出，暗物质是由“弱互作用大质量粒子（WIMPs）”构成的，它们的质量是质子的100倍，但相互作用的方式和中微子类似。然而，所有利用对撞实验来寻找暗物质粒子的努力都一无所获。因此有一些科学家开始怀疑，暗物质是不是由另外一种完全不同的东西构成的？

当前的宇宙学模型倾向于假设暗物质粒子的质量在100吉电子伏左右，这与另外一些通过弱互作用力发生作用的粒子质量尺度相符。这样一种粒子的存在，符合粒子物理标准模型中的超对称外延。人们进一步相信，这样的粒子产生自炽热致密的早期宇宙，且把质量和密度一直保持到了今天。

根据超对称理论，“弱互作用大质量粒子”会相互湮灭，产生一系列的粒子和辐射，包括中等强度的伽玛射线。天空和望远镜 / Gregg Dinderman

然而，人们无法在实验中找到这类粒子存在的任何具体证据。无论是在邻近星系和星系团中寻找这类粒子发生湮灭时产生的线索（如伽玛射线，中微子和宇宙射线），还是使用强大的粒子对撞机进行直接检测，结果都是一样。

因此，许多科研团队开始考虑跳出“弱互作用大质量粒子”的框架，来寻找暗物质。比如一个丹麦的宇宙学家小组，最近发表了他们的研究成果，他们认为暗物质可能比之前人们想像的要重得多，它们的相互作用也要微弱得多。

团队中的McCullen Sandora博士这样说：

“我们还不能排除‘弱互作用大质量粒子’这样的方案，但是多年来我们都一无所获。弱层次结构问题带来了非常大的麻烦。为什么我们所知的粒子都那么轻，尤其是相对于大自然的引力尺度而言。引力尺度，也就是普朗克尺度，大约在10^19吉电子伏左右。因此如果暗物质存在于普朗克尺度附近，就不会带来层次结构问题，而这也能够解释为什么我们看不到任何与‘弱互作用大质量粒子’有关的迹象。”

他们采用了一种被称为“普朗克互作用暗物质（PIDM）”的新模型，来探索暗物质质量的上限。“弱互作用大质量粒子”把目光放在了弱电力尺度的上限，而这批丹麦学者认为，暗物质存在于另一种完全不同的自然尺度——普朗克尺度上。

宇宙时间线，从大爆炸到今天。NASA

在普朗克尺度上，一个质量单元等于2.17645×10^-8千克，大致相当于1微克，或是质子质量的10^19倍。以此计算，每个“普朗克互作用暗物质”基本单元的质量都接近于粒子质量的极限，再重它们就要变成迷你黑洞了。这些科学家还提出了一个理论，认为这些暗物质大批形成于宇宙的极早期——“再热期”——这一时期发生在“暴胀期”结束时，大致上是“大爆炸”后10^-36秒至10^-33秒或10^-32秒之间。

这一时期之所以被称为“再热”，是因为在暴胀期间，宇宙的温度下跌了10万倍左右。暴胀一旦结束，温度便开始回升到暴胀前的水平（大约10^27K）。此刻，暴胀场中的巨大潜在能量开始衰减为遍布整个宇宙的标准模型粒子，而暗物质可能就包含其中。

这个理论对宇宙学家的许多推断都是有启示性的。比如要使这个模型行得通，再热期的温度就必须比当前的假设要高。一个温度更高的再热期则会导致更多原初引力波的产生，而这理应能够在宇宙微波背景中看得到。

“这么高的温度告诉我们，有两件与暴胀有关的事情非常有趣，”Sandora说。“假如暗物质的确存在于普朗克尺度上，暴胀必然发生在极高的能量级上，也就是说它不但能够在早期宇宙的温度中产生涨落，还能够使时空本身发生涨落，产生引力波。其次，它告诉我们暴胀能量必然会极快地衰减为物质，因为如果持续时间太长，宇宙的冷却便会使得存在于普朗克尺度上的暗物质完全无法产生。”

未来对宇宙微波背景的研究，可能会告诉我们暗物质的真相。NASA / WMAP

这类引力波存在与否，可以在未来对宇宙微波背景的研究中加以证实或排除。而这同样也是一个令人兴奋的消息，因为最近人们成功地直接检测到引力波，无疑鼓舞了检测原初引力波——这种极早期宇宙产物的努力。

Sandora认为对于科学家来说，这是双赢的，无论这种暗物质的最新候选者在不久的将来被证实还是被排除。

“我们的设想是具体的：我们打算在下一代的宇宙微波背景实验中寻找这些引力波。实际上，这样的设想不会有什么坏处：假如我们发现了它们，那太好了；假如我们没有看到，那我们就会知道暗物质并不是这种东西，我们也就会明白和普通物质发生作用的，肯定是别的什么。而谜底肯定会在下个十年左右的时间内揭晓，这将给我们带来许多期待。”

自Jacobus Kapteyn 1922年提出存在暗物质的假设以来，科学家一直在寻找这种物质存在的直接证据。从“引力子”到“晕族大质量致密天体（MACHOS）”到轴子——众多的候选者被一一提出，被一一称重，被一一寻找。假如别无他物，那么这种最新的暗物质候选者无论在不远的将来被证实还是被排除，都是我们所乐意见到的事。

假如它被证实，那么宇宙学中最大的谜团就会被解开。人类在了解宇宙及其神秘作用力的道路上会迈出一大步。无论有没有万物理论，我们都在不断向前。

Matt Williams 文 / 老孙 译

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