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新的研究表明，宇宙在大爆炸之后的一個月內(nèi)，發(fā)生了第二次大爆炸，這可能為宇宙帶來了看不見的暗物質(zhì)。

大爆炸理論是目前關(guān)于宇宙起源和演化的最成功的理論。這一理論認為，我們的宇宙起源于一場大爆炸。在距今約 138 億年前，宇宙從一個溫度極高且密度極大的狀態(tài)下開始膨脹，并將第一批物質(zhì)分散到空間各處。隨著時間的推移，宇宙變得越來越冷、越來越稀，物質(zhì)和能量開始聚集形成恒星和星系等天體。

大爆炸理論可以解釋普通物質(zhì)是如何產(chǎn)生的，然而，它并不能解釋暗物質(zhì)是怎么產(chǎn)生的。暗物質(zhì)是一種不發(fā)光、不與電磁力相互作用的物質(zhì)，它占據(jù)了宇宙物質(zhì)的大部分，但我們對它的本質(zhì)和起源知之甚少。

為了解決這些難題，一些科學(xué)家最近提出了一種新的理論，稱為“暗大爆炸理論”，認為在最初的大爆炸之后，還發(fā)生了一次“暗大爆炸”，這次爆炸產(chǎn)生了暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)誕生于暗大爆炸

暗大爆炸理論是由美國得克薩斯大學(xué)的物理學(xué)家凱瑟琳?弗里茲（Katherine Freese）和瑞典皇家理工學(xué)院的物理學(xué)家馬丁?溫克勒（Martin Winkler）提出的。他們認為，早期宇宙中存在一個由暗真空能構(gòu)成的暗區(qū)域。暗區(qū)域在最初的大爆炸之后的某個時候，發(fā)生了一次相變（從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個狀態(tài)的物理過程，例如冰變成水）。這個相變導(dǎo)致暗真空能轉(zhuǎn)化為暗物質(zhì)粒子，這就是暗大爆炸。

弗里茲和溫克勒經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)，暗大爆炸至少可以產(chǎn)生 3 種類型的暗物質(zhì)粒子。如果相變過程是漸進式的，那么暗大爆炸會產(chǎn)生輕質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子。其中的一種類似于傳統(tǒng)的暗物質(zhì)實驗所尋找的 WIMP（大質(zhì)量弱相互作用粒子），但它們會與自然界的“暗力”發(fā)生相互作用，比如與“暗電磁力”作用會產(chǎn)生“暗光子”。

如果這些“暗力”不存在，那么暗物質(zhì)粒子就不再能夠通過吸收和發(fā)射“暗光子”來平衡它們的能量。相反，你會得到一個可吞噬彼此的粒子。也就是說，暗物質(zhì)粒子彼此發(fā)生碰撞時，就會發(fā)生湮滅并產(chǎn)生能量。

如果相變過程是突變式的，暗大爆炸就會產(chǎn)生很多個擴張的氣泡，將系統(tǒng)從一種狀態(tài)帶到另一種狀態(tài)。這就像水開始沸騰時，會出現(xiàn)成千上萬的小氣泡一樣。這些氣泡有著極高的能量，當它們碰撞時，就會釋放出極高的能量，以至于有可能產(chǎn)生質(zhì)量是質(zhì)子的 10 萬億倍的暗物質(zhì)粒子。為了體現(xiàn)這些暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量驚人，弗里茲和溫克勒稱它們?yōu)椤鞍邓估保╠arkzillas），名字來源于影史上著名的怪獸形象哥斯拉。

他們還發(fā)現(xiàn)，暗大爆炸如果發(fā)生得太早，宇宙中暗物質(zhì)就會太多，如果發(fā)生得太晚，宇宙中暗物質(zhì)就會太少。但是，如果暗大爆炸發(fā)生在宇宙不到一個月大的時候，它就能與所有已知的觀測相一致。

用引力波來驗證暗大爆炸理論

暗大爆炸理論是一個極具突破性的理論，為暗物質(zhì)的起源提供了一個很合理的解釋。那么，如何驗證這個理論呢？

弗里茲和溫克勒認為，暗大爆炸可能產(chǎn)生一種能彌漫整個宇宙的引力波，這些引力波現(xiàn)在仍然在宇宙中傳播著。弗里茲甚至認為，我們可能已經(jīng)探測到了這種引力波。

2015 年 9 月，激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到了引力波。從那時起，地球上的各個引力波探測器已經(jīng)捕獲了近 100 個已確認的引力波事件。這些事件都是由中子星或中小型黑洞的合并產(chǎn)生的。

但宇宙中還存在著另一種引力波，它是一種充斥在整個宇宙空間中的引力波背景信號，被認為是由超大質(zhì)量黑洞合并或者早期宇宙中的相變過程產(chǎn)生的。但是，這種引力波的頻率很低，地球上的引力波探測器無法直接探測到它們。不過，天文學(xué)家認為，引力波背景信號可以干擾脈沖星發(fā)出的脈沖信號。如果利用射電望遠鏡長期觀測一批脈沖星，并發(fā)現(xiàn)多顆脈沖星產(chǎn)生的信號在某個時候同時發(fā)生某種規(guī)律性變化，就代表著探測到了引力波。

2023 年 6 月，天文學(xué)家利用脈沖星成功地檢測到了引力波背景信號。但是，這個信號太微弱，無法確定它的來源。雖然最有可能的來源是超大質(zhì)量黑洞合并，但弗里茲認為，暗大爆炸也是一個可信的替代解釋。

目前，全球的多國科研團隊正在通力合作，利用脈沖星獲取更精確的引力波數(shù)據(jù)。歐洲航天局的激光干涉空間天線（LISA）也將在 2037 年發(fā)射。LISA 是由 3 臺航天器構(gòu)成，這些航天器在太空中構(gòu)成等邊三角形，并通過在它們之間發(fā)送的激光束來精確地測量引力波。弗里茲認為，在不遠的將來，我們就可以確定引力波背景信號是否是由暗大爆炸產(chǎn)生的，甚至可以確定暗物質(zhì)粒子究竟是“暗斯拉”，還是一種更輕的粒子。

參考文獻：

• https://arxiv.org/abs/2302.11579

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的宇宙发生过两次大爆炸？科学家认为，第二次大爆炸产生了暗物质的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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