宇宙大爆炸最大的谜团？暗物质诞生之初可能“炽热无比”

宇宙学家们长达四十年的共识正在动摇。明尼苏达大学双城分校和巴黎萨克雷大学的研究团队在《物理评论快报》上发表的最新研究表明，暗物质在宇宙大爆炸后诞生之初可能处于极端高温状态，粒子运动速度接近光速。这完全颠覆了科学界长期坚持的冷暗物质理论，即暗物质从一开始就是缓慢运动的低温粒子。

这项研究关注的是宇宙暴胀结束后的重加热阶段，当时宇宙迅速充满了能量和粒子。研究人员证明，暗物质粒子可以在仍处于超相对论状态时与普通物质分离，也就是所谓的"超相对论冻结"。更关键的是，这些高速运动的粒子有足够的时间在星系开始形成前冷却下来,因此不会像此前认为的那样破坏大尺度结构。

论文第一作者、明尼苏达大学研究生斯蒂芬·亨里奇指出,暗物质一直充满谜团,我们对它的了解寥寥无几,其中之一就是它必须是冷的。因此在过去四十年里,大多数研究人员都认为暗物质在宇宙早期诞生时一定是冷的。但最近的研究结果表明并非如此,事实上暗物质在诞生之初可能非常炽热,但在星系开始形成之前仍然有时间冷却下来。

中微子的前车之鉴

冷暗物质假设的根源要追溯到上世纪80年代。当时天文学家发现,低质量中微子无法充当暗物质,因为这些轻量级粒子的高速运动会抹平宇宙中的密度起伏,导致无法形成星系这样的大型结构。中微子成为了热暗物质的典型例子,从此科学界对任何高速运动的暗物质候选者都持谨慎态度。

暗物质可能在大爆炸后的瞬间以炽热的状态形成，而非像科学家长期以来认为的那样是低温的。图片来源：SciTechDaily.com

物理与天文学院教授基思·奥利弗解释说,最简单的暗物质候选者低质量中微子早在四十多年前就被排除了,因为它会摧毁星系大小的结构,而不是像人们想象的那样形成新的结构。中微子成为了热暗物质的典型例子,在这种模型中结构的形成依赖于冷暗物质。令人惊奇的是,如果类似的候选者在宇宙大爆炸初期产生,它竟然能够冷却到足以发挥冷暗物质作用的程度。

这种排除效应深刻影响了整个暗物质研究领域。几十年来,理论物理学家们在构建暗物质模型时会刻意避免高温诞生的可能性,担心重蹈中微子的覆辙。大型对撞机实验和地下探测器也都按照冷暗物质的假设来设计,寻找质量较大、运动缓慢的粒子。

但新研究指出,中微子和早期宇宙产生的暗物质粒子存在本质区别。关键在于产生的时间点。如果暗物质在宇宙重加热阶段就已形成,它有充足的时间随宇宙膨胀而损失能量,最终冷却到不会破坏星系形成的程度。而中微子产生得更晚,没有足够的冷却时间。

时间窗口拯救了热诞生理论

宇宙暴胀结束后的重加热阶段是理解这项新理论的关键。在暴胀期间,宇宙以指数速度膨胀,温度急剧下降。暴胀结束后,驱动暴胀的场开始衰变,将能量转化为普通物质和辐射,导致宇宙温度再次升高,这个过程被称为重加热。

研究团队的模拟显示,如果暗物质粒子在重加热早期就产生,它们虽然一开始速度极快,但随着宇宙膨胀会不断损失动能。计算表明,这些粒子可以在大约十万年内冷却到非相对论速度,而星系形成要等到宇宙诞生几亿年后才开始。这个时间差足够大,完全可以容纳热诞生的暗物质。

这一发现打开了新的理论空间。过去被认为不可能的暗物质模型,现在重新获得了可行性。一些质量较轻、耦合较强的粒子候选者,此前因为会产生热暗物质而被排除,如今需要重新评估。这对粒子物理学标准模型之外的新物理探索具有重要意义。

法国巴黎萨克雷大学教授、论文合著者扬·曼布里尼表示,凭借这一新发现,我们或许能够了解宇宙历史上非常接近大爆炸的时期。暗物质的产生机制直接关系到宇宙最初瞬间的物理条件,包括重加热温度、暴胀场的性质等基本参数。

探测手段需要调整

这项理论突破不仅改变了我们对暗物质历史的认识,也对未来的探测策略产生影响。如果暗物质粒子与普通物质的相互作用强度比冷暗物质模型预期的要高,那么现有的地下直接探测实验可能需要调整灵敏度范围。

研究团队计划寻找探测这些暗物质粒子的最有希望的方法。可能的途径包括使用粒子对撞机或散射实验进行直接搜索,以及依赖宇宙观测的间接方法。对撞机实验中产生的新粒子如果具有热诞生暗物质的特征,其衰变模式和相互作用截面会与传统冷暗物质模型不同。

间接探测方面,热诞生暗物质可能在早期宇宙的大尺度结构形成过程中留下独特印记。詹姆斯·韦布太空望远镜等设备观测到的早期星系分布和形态,可以用来约束暗物质的初始温度。如果早期宇宙中小尺度结构的形成受到抑制,这将支持热诞生理论。

中国科学院大学团队在2026年1月15日宣布首次直接观测到米格达尔效应,为轻暗物质探测领域突破能量阈值瓶颈提供了关键技术。这种量子效应可以让原子核与暗物质粒子相互作用时产生更容易探测的信号,对寻找质量较轻的暗物质候选者特别有用。

重写宇宙学教科书

如果热诞生暗物质理论经过进一步验证,宇宙学的标准图景将需要修订。目前的宇宙学模拟和大尺度结构形成模型都基于冷暗物质假设,虽然这些模型与观测数据大体吻合,但在一些细节上存在张力。比如矮星系数量问题、星系中心密度轮廓等小尺度结构问题,一直困扰着冷暗物质理论。

热诞生暗物质提供了一种可能的解决方案。由于暗物质粒子最初的高温状态会抑制最小尺度上的结构形成,这可能自然解释为什么观测到的矮星系数量少于冷暗物质模型的预言。同时,粒子的热运动历史可能影响暗物质晕的内部结构,与自相互作用暗物质模型产生类似效果。

2026年1月的一项引力透镜研究发现,一个百万太阳质量的暗天体具有均匀表面密度分布加中心点质量的双组分结构,该特征与标准冷暗物质预言严重不符。这类观测异常可能暗示暗物质的形成和演化历史比我们想象的更复杂,热诞生理论正是填补这一空白的候选者之一。

这项研究由欧盟地平线2020研究与创新计划根据玛丽·居里行动拨款协议提供资助。研究团队表示,下一步将与观测天文学家和实验物理学家合作,寻找能够区分热诞生暗物质和传统冷暗物质的关键观测特征。如果未来几年的数据能够确认这一理论,那将是理解宇宙组成和演化的重大突破,也将告诉我们大爆炸后最初时刻究竟发生了什么。