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大爆炸之前真的创造了暗物质吗

2019-09-19 17:49:50来源:

在宇宙中所有未解决的难题中,最令人困惑的可能是暗物质问题。如果我们看看我们在太阳系中遇到的问题,即使是在地球上能量最高,精度最高的实验室,我们所观察到的一切只需要标准模型的粒子和结合的结构(质子,它们产生的原子,分子等)。我们在宇宙的当地角落只需要它。

但是在更大的尺度上 - 如星系,星系团或整个宇宙网 - 正常物质不能再解释我们自己看到的东西。无论我们是在观察螺旋星系旋转,单个星系在大群中移动,还是模拟宇宙的大规模结构如何形成,我们都无法在不增加大量额外质量的情况下得到正确答案:5倍于就像我们推断的正常事情一样。该质量不得吸收或发射任何光,因此它被称为暗物质。但什么是暗物质,它何时出现在我们的宇宙中呢?这是我们试图回答的重大问题。

天文学家开发了大量探测宇宙的方法,所有这些方法都指向了我们宇宙的一致图景。在过去的138亿年里,自大热爆炸开始以来已经过去了多少时间。我们的宇宙已经从最初的密集,炎热,几乎完美均匀的起源扩展,冷却和吸引。

今天,我们可观测到的宇宙范围很广:大约920亿光年。它充满了数万亿个星系,聚集在一个巨大的宇宙网中,沐浴在宇宙大爆炸的剩余辐射中,只有2.73 K的微小温度。但最大的惊喜是我们所知道的粒子和场不够自己,解释我们看到的宇宙。我们所知道的所有物质和辐射,甚至是所有物质和辐射,在宇宙中只增加了5%的能量。两个神秘的实体,暗物质(27%)和暗能量(68%)组成其余部分。

了解宇宙的那些黑暗成分,包括它们来自哪里,是21世纪未解决的一些重大问题。我们可以从我们积累的观察中推断出暗物质和暗能量的一些东西。

暗物质:它必须始终在整个宇宙中均匀分布,具有与正常物质相同的初始密度波动谱。它必须天生冷(即,即使在早期,它与光速相比也在缓慢移动),并且它不能与自身或任何标准模型粒子碰撞或相互作用(超过某个约束阈值)。并且它对宇宙中的大部分聚集和聚类负责:它的引力效应是正常物质的效果的五倍。

暗能量:我们对此知之甚少。它似乎是完全均匀的,根本不是聚集或聚集,它似乎与宇宙常数100%一致,或者是空间本身真空所固有的能量形式。它的巨大影响是双重的,导致宇宙空间平坦并推动宇宙的加速扩张,这是没有它就无法解释的两个事实。

暗物质存在的证据是压倒性的,并且存在于一个巨大的套件中,但是在理想情况下存在明显的缺点:它是间接的。我们可以观察到暗物质对宇宙中的辐射和正常物质的影响,并得出许多独立的测量值,这些测量值都指向暗物质与正常物质比率相同的5比1图像。尤其是:

宇宙微波背景的波动,

星系在最大尺度上聚集在一起的方式,

孤立的X射线发射星系团的引力透镜,

大爆炸核合成和光元素的早期丰度,

测量碰撞的星系群和星团,

相互作用的星系对的特殊速度,

还有许多其他观察结果都需要暗物质的存在。即使我们从未测量过个别星系的旋转 - 这也支持暗物质的存在 - 也没有办法解释没有暗物质的所有存在。

已经有很多尝试直接检测出任何可能导致暗物质的粒子,但是所有曾经进行的搜索都要么是空的,要么已经产生了结果,其中信号只是可疑地归因于暗物质。建造大型地下探测器,寻找由大质量粒子引起的异乎寻常的反冲,对特定质量范围内的暗物质横截面施加了非常严格的限制,但从未见过这样的粒子。

同样,轴突探测器(寻找非常轻的暗物质)从未见过轴;新的“暗区”粒子未能出现在大型强子对撞机上;即使是巨大的中微子探测器还没有看到中微子与已知和预期背景相结合无法解释的信号。暗物质是我们宇宙的必要成分,但是这种直接探测它的失败意味着我们不知道它的粒子特性,假设它甚至是由粒子组成的。

因此,如果观察数据指向的是什么,我们可以说暗物质来自何处?最近引起大肆宣传的标题声称暗物质可能起源于大爆炸之前,许多人对此断言感到困惑。

这似乎违反直觉,因为大多数人认为宇宙大爆炸的方式是无限密度的奇点。如果你说宇宙今天正在膨胀和冷却,那么你可以将它推断回一个所有物质和能量被压缩成空间中的一个点的状态:一个奇点。这相当于我们宇宙的初始开始时间 - 我们宇宙的开始 - 那就是宇宙大爆炸。

那么宇宙中存在的东西,如暗物质,怎么会在大爆炸之前起源?因为大爆炸实际上并不是空间和时间的开始。

事实上,我们甚至不确定空间和时间是否有一个开始,因为现在已知回到奇点的推断与观察相冲突。相反,如果我们要及时向后推断,我们会发现宇宙变得更热,更密集,更均匀,但只有一点。由于我们所做的详细观察,尤其是宇宙微波背景(大爆炸的剩余辉光),我们可以肯定宇宙在热大爆炸期间达到的最高温度,并且温度是有序的比普朗克规模低一些。

换句话说,在大爆炸之前必定有一个不同的状态。这就是宇宙膨胀所扮演的角色以及它所填补的空白:通货膨胀是在热潮爆发之前我们的宇宙中发生的事情,它将宇宙放置并赋予宇宙许多我们现在观察到的属性。

如果所有这一切都是真的 - 它是现代科学所拥有的宇宙的最佳工作模型 - 那么宇宙中的所有暗物质何时被创造?这是事情变得有趣的地方,因为只有少数一般选项,并且它们都带有警告。这是最好的选择。

在通货膨胀期间,热火爆炸开始之前。

在再加热期间:通货膨胀与热火爆炸之间的过渡。

在大爆炸的最早,最充满活力的阶段。

在大爆炸的后期阶段,由于相变。

而已;这些是唯一的选择,它们都有缺点。

在通货膨胀期间产生的任何粒子或场激发都有被吹走的风险,因为通货膨胀时空的指数膨胀性质可以使任意两个粒子任意地靠近在一起并使它们膨胀以在时间尺度上分开数千亿光年约10-33秒你需要设计一种方法来保留这些遗物,这对你的理论来说是一个额外的负担;声称在大爆炸之前制造暗物质的新论文将其作为宇宙中一个新的基本标量场。

你可以尝试在再加热过程中产生暗物质:膨胀结束时,场能量转化为粒子:物质,反物质和辐射。你必须在通胀场和你假设的任何新的暗物质场之间创建一个耦合,这很容易记下来但很难提取预测。

但大多数暗物质模型都涉及假设大爆炸后发生的粒子创造机制。这些模型更容易实现可测试性,因为它们可以预测具有有限质量,相互作用横截面和直接可检测特征的粒子。其他模型仅提供间接签名,但是热遗留颗粒(如WIMP)或从真空中拉出并通过相变(如轴)给定质量的粒子也提供直接检测的机制。

尽管我们并不确切知道暗物质究竟是什么,但我们有很多证据表明它存在,我们可以做出非凡的工作来推断它的许多属性并限制其他许多属性。但是在我们真正知道暗物质是什么之前,我们必须让所有的可能性保持开放,并寻找可能在我们的宇宙中留下的任何有用的科学信号。

暗物质可能发生在大爆炸之前或之后,但不是在时间和空间开始之前。当在我们遥远的过去出现暗物质的选项之间分裂头发时,几分之一秒可以在宇宙中产生所有差异。