新研究假设：宇宙发生过两次大爆炸
最近一篇論文提出了一個新的假設(shè)，即宇宙的起源可能不是只有一個大爆炸，而是有兩個大爆炸，一個是我們熟悉的熱大爆炸，另一個是一個暗大爆炸。
背景
我們知道，宇宙中的物質(zhì)和輻射主要是由熱大爆炸產(chǎn)生的，這個過程可以通過原初核合成的證據(jù)來驗證。原初核合成是指在宇宙早期，當溫度高于一兆電子伏特時，光子和重子形成了一個熱等離子體，然后在溫度降低后，重子結(jié)合成了輕元素（如氫、氦和鋰）的過程。這個過程可以很好地解釋我們觀測到的宇宙中輕元素的豐度。
但是，宇宙中還有一種我們不太了解的物質(zhì)，就是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是指那些不與電磁輻射相互作用，或者說不發(fā)光的物質(zhì)，它只能通過引力效應來探測。暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙物質(zhì)總量的大約 85%，它對宇宙的結(jié)構(gòu)形成和演化有著重要的影響。但是，暗物質(zhì)是什么，它是怎么產(chǎn)生的，它有沒有和我們熟悉的物質(zhì)相互作用的可能性，這些都是目前物理學中的未解之謎。
暗大爆炸
一篇論文提出了一個可能的答案，即暗物質(zhì)（以及可能的暗輻射）是在一個暗大爆炸中產(chǎn)生的，這個暗大爆炸是由暗物質(zhì)部分的一個相變引起的。相變是指物質(zhì)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過程，比如水從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)或氣態(tài)。在這個過程中，物質(zhì)的能量和熵會發(fā)生變化，有時會伴隨著一些劇烈的現(xiàn)象，比如泡沫的形成和碰撞。
在這篇論文中，作者假設(shè)暗物質(zhì)部分在宇宙早期處于一個高能量的假真空態(tài)，然后在某個時刻發(fā)生了一個一級相變，即從一個假真空態(tài)跳變到一個真真空態(tài)。在這個過程中，暗物質(zhì)部分的真空能被釋放出來，形成了一個熱的暗等離子體，這就是暗大爆炸的起點。
暗大爆炸的時間可以在原初核合成之前、之中或之后，只要它不影響我們已知的宇宙歷史和觀測。作者計算了暗大爆炸的溫度范圍，發(fā)現(xiàn)它必須在可見物質(zhì)部門的溫度高于幾千電子伏特時發(fā)生，這相當于宇宙年齡小于一個月的時候。在這個溫度下，可見物質(zhì)部門已經(jīng)形成了中性原子，而不是等離子體，這意味著它和暗物質(zhì)部分的相互作用會很弱，從而保證了暗大爆炸的隱匿性。
新模型的預測
暗大爆炸產(chǎn)生了暗物質(zhì)，但是暗物質(zhì)的豐度是多少呢？這篇論文給出了幾種可能的機制，來解釋暗物質(zhì)的豐度和性質(zhì)。一種是暗物質(zhì)的自噬，即暗物質(zhì)之間有一種強的相互作用，使得它們可以相互轉(zhuǎn)化為其他的暗粒子，從而降低暗物質(zhì)的數(shù)密度。另一種是暗物質(zhì)的對消，即暗物質(zhì)和反暗物質(zhì)可以相互湮滅為暗輻射，從而降低暗物質(zhì)的能密度。
這兩種機制都可以導致暗物質(zhì)的凍結(jié)，即在某個時刻，暗物質(zhì)的相互作用速率低于宇宙的膨脹速率，從而暗物質(zhì)的豐度固定下來。還有一種可能是暗物質(zhì)是超重的，即它的質(zhì)量遠遠大于可見物質(zhì)的質(zhì)量，這樣的暗物質(zhì)可以直接從暗大爆炸中的泡沫碰撞中產(chǎn)生，而不需要經(jīng)過任何的凍結(jié)過程。作者稱這種暗物質(zhì)為“暗吉拉”，它的質(zhì)量可以達到 10^16 公斤，相當于一個小行星的質(zhì)量。
暗大爆炸不僅產(chǎn)生了暗物質(zhì)，還產(chǎn)生了引力波。引力波是時空的漣漪，它是由質(zhì)量或能量的加速運動產(chǎn)生的。暗大爆炸中的相變和泡沫碰撞都是強烈的能量源，它們可以激發(fā)出很強的引力波，這些引力波會持續(xù)到現(xiàn)在的宇宙，成為宇宙引力波背景。作者計算了這些引力波的頻率和強度，發(fā)現(xiàn)它們可以在脈沖星定時陣列實驗中被探測到。脈沖星定時陣列是一種利用脈沖星的穩(wěn)定的脈沖信號來探測引力波的方法，它可以探測到頻率在 10^-9 赫茲到 10^-6 赫茲之間的引力波。
暗大爆炸產(chǎn)生的引力波正好在這個范圍內(nèi)，而且有一個很特別的特征，就是它們的頻率隨著時間的變化而變化，這是因為暗物質(zhì)部分的溫度和可見物質(zhì)部門的溫度不一樣，它們的膨脹速率也不一樣，這導致了引力波的頻移。如果我們能夠在脈沖星定時陣列實驗中觀測到這樣的引力波信號，那么我們就可以證實暗大爆炸的存在，也可以測量暗物質(zhì)部門的溫度和能量密度。
暗大爆炸還可以解釋一些其他的暗物質(zhì)的性質(zhì)，比如暗物質(zhì)的自相互作用和暗物質(zhì)的溫度。暗物質(zhì)的自相互作用是指暗物質(zhì)之間除了引力以外還有其他的力，這種力可以影響暗物質(zhì)的分布和運動，從而解釋一些小尺度結(jié)構(gòu)的觀測異常。
暗物質(zhì)的溫度是指暗物質(zhì)的平均動能，它決定了暗物質(zhì)的運動狀態(tài)，是冷的、溫的還是熱的。暗物質(zhì)的溫度和暗大爆炸的溫度有關(guān)，如果暗大爆炸的溫度很高，那么暗物質(zhì)就會是熱的，它的速度會接近光速，這樣的暗物質(zhì)會很難形成結(jié)構(gòu)，也很難被探測。
如果暗大爆炸的溫度很低，那么暗物質(zhì)就會是冷的，它的速度會很慢，這樣的暗物質(zhì)會很容易形成結(jié)構(gòu)，也很容易被探測。如果暗大爆炸的溫度介于兩者之間，那么暗物質(zhì)就會是溫的，它的速度會在中等范圍，這樣的暗物質(zhì)會有一些特殊的性質(zhì)，比如它可以在小尺度上抹平密度擾動，從而解釋一些觀測的不一致性。作者根據(jù)暗大爆炸的參數(shù)，給出了暗物質(zhì)的溫度的范圍，發(fā)現(xiàn)它可以覆蓋從冷暗物質(zhì)到熱暗物質(zhì)的所有可能性。
本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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總結(jié)
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