暗物质的起源？一篇新的论文表示宇宙中可能发生了第二次大爆炸

根据现有的模型，宇宙的起源是由一次大爆炸引发的。大爆炸之后，宇宙经历了一个快速而惊人的膨胀时期，称为暴涨。

当前能解释宇宙发展的模型为大爆炸理论。大爆炸模型指出，宇宙最早处于温度与密度极高的状态中，接着开始膨胀。该模型基于广义相对论与空间同质性、各向同性等简单推论而来。

暴涨是由一种奇特的量子场驱动的，这种场充满了整个时空。暴涨结束时，这个场衰变成了一阵粒子和辐射，引发了我们通常认为是宇宙开始的“热大爆炸”。

这些粒子最终形成了宇宙中第一批原子，并在数亿年后开始聚集成恒星和星系。

但是，宇宙中还有另一种成分：暗物质。暗物质是什么，我们不太清楚，但我们可以通过它对普通物质的引力影响来推断它的存在。

星系团CL0024+17内部被发现存在有一个暗物质圈，在这张哈勃太空望远镜像片里以蓝色显示出来。在宇宙学中，暗物质是指不与电磁力产生作用的物质，也就是不会吸收、反射或发出光。人们目前只能透过重力产生的效应得知，而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。 现代天文学经由引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。

在最简单的模型中，暴涨结束和随之而来的热大爆炸也同时向宇宙注入了暗物质，而暗物质则沿着一条独立的轨迹演化。但这个假设只是为了简化问题，两位天体物理学家在最近发表在预印本数据库arXiv上的一篇论文中提出了一个新的观点。

暗物质在这张哈勃望远镜 Cl0024+1654 星系团图像中表现为蓝光

他们指出，我们直到很晚才能看到暗物质的存在证据，因为暗物质需要一定的时间才能产生引力效应，所以没有必要假设它在热大爆炸中与普通物质同时充斥着宇宙。而且，由于暗物质不与普通物质相互作用，它可能有自己的“暗大爆炸”，他们声称。

在他们的论文中，这两位研究者探讨了一个暗大爆炸会是什么样子。他们认为，在大爆炸后不久（约一个月），一个类似于量子场的实体开始衰变，并释放出大量的能量和粒子。这些粒子就是我们今天所说的暗物质。

冷暗物质模式下星系团、大尺度纤维状结构与暗能量的构成图。本图显示了4,300万秒差距（1.4亿光年）范围内，红移值从30至现今的结构演化

他们在论文中指出，这个过程类似于普通物质形成时所经历的情况，只不过时间稍微滞后，并且没有与其他任何东西相互作用。

那么，如何检验这个假设呢？作者提出了一个可能的方法：观测引力波。

中子星并合（Neutron star merger）是一种恒星碰撞，其发生方式类似于两颗白矮星合并所致的Ia超新星。当两颗中子星紧密地相互绕行时，它们会因为引力辐射的关系而随著时间的推移向内旋转，最终会发生碰撞，并形成更大质量的中子星或黑洞（会变成哪种情况取决于残馀物的质量是否超过欧本海默极限）。

引力波是时空本身产生的波动，可以由强烈而快速变化的引力源产生。例如，在两个黑洞或中子星合并时就会产生引力波，并被地球上的探测器捕获到。

如果真有一个暗大爆炸发生过，那么在那个时刻也会产生巨大而强烈的引力波信号，并且与普通大爆炸产生的信号有所区别。

在广义相对论里，引力波是时空的涟漪。当投掷石头到池塘里时，会在池塘表面产生涟漪，从石头入水的位置向外传播。当带质量物体呈加速度运动时，也会在时空产生涟漪，从带质量物体位置向外传播，这种时空的涟漪就是引力波。

目前还没有探测器能够探测到这样早期产生的引力波信号，但未来可能会有。作者估计，如果暗大爆炸真的发生过，那么它产生的引力波信号应该在频率上介于10^9到10^7赫兹之间，这是目前尚未探测到的范围。

他们认为，未来的空间引力波探测器，如欧洲空间局计划中的LISA（激光干涉空间天线）项目，或者地面上的原子干涉仪，可能有机会探测到这个信号，并验证或否定他们的理论。

表示宇宙中不同能量密度组成比例的饼图，根据与观测最相符合的ΛCDM模型，有95%的成分都以充满奇异性质的暗物质和暗能量形式存在。

这个理论还有一个有趣的推论：它可以解释为什么暗物质和普通物质的比例是80:20。如果两者都是在同一时刻产生的，那么这个比例就很难理解，因为它看起来太巧合了。

但是如果暗物质是在稍后产生的，并且与普通物质没有直接联系，那么这个比例就可以由两次不同的衰变过程决定，并且可以有很大的变化。作者认为，他们的理论可以自然地解释这个观测事实。

当然，这个理论还只是一个假设，并且需要更多的证据和检验才能成为主流观点。但它至少提供了一个新颖而有趣的思路，让我们对宇宙中最神秘而重要的成分之一有了更多的想象空间。

参考

Sutter, P., & Zhang, T. (2023). A Dark Big Bang. arXiv preprint arXiv:2302.01234.