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暗物质可能有它自己的“看不见的”元素周期表

(2023-11-12 15:40:40)

标签：

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杂谈

暗物质可能有它自己的“看不见的”元素周期表

By Paul Sutter

2023/11/12

Cosmology

一项新理论提示暗物质可能以多种粒子和重量而来，类似于元素周期表上的普通元素。

一张显示暗物质、星系和热气体在合并星系团Abell 52核中的分布的合成图像。蓝色区域显示质量最大的区域;暗物质构成这个质量的大部分。. (Image credit: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), and A. Mahdavi (San Francisco State University))

按照一项新的研究，这个宇宙可能已经在大爆炸的最初几分钟内产生了暗物质。然后这些颗粒被陷进超密度口袋中。研究作者提出其中一些口袋分裂开来变成黑洞，这然后溶解成一个多个暗物质粒子“物种”的阵雨，创造一个不可见元素的“暗物质元素周期表”。

物理学家仍挣扎来解释暗物质------神秘的、看不见的构成了宇宙质量的绝大多数的物质形式。虽然宇宙学家和天文学家已经识别了暗物质从星系内恒星的旋转速率到宇宙中可见的最大结构的环境存在证据，但他们还没有确切的识别暗物质是什么。

以前的工作假设暗物质是简单的：一种单一的极轻重量的粒子，淹没着宇宙，从来几乎难与正常物质相互作用。但对此类粒子的新的强烈搜索已经出来空的。这导致宇宙学家好奇是否暗物质粒子可能是远更罕见的，但也远更重。然而，理论物理学家已经挣扎来找到会用适当数量的这种重粒子播种早期宇宙的模型。

在10月份发表在预印本数据库arXiv上的这项新研究中，一组宇宙学家发现了一种在大爆炸后不久来产生大质量暗物质粒子的方法。诀窍是来洒黑洞。

这篇论文指出早期宇宙经历了严重的相变，因为自然力从彼此分裂开，从一个单一的统一力变成今天的四种基本力。在每次相变中，支撑的物理学变化了。这并不像听它起来那么疯狂，因为科学家能在粒子加速器中重现这些相变的最后一个：在足够高的能量下，重现大爆炸的最初几秒钟，我们能观测电磁力和弱核力合并成一个。

研究人员发现，超重暗物质可能在这些早期宇宙相变之一中被陷住。如果这种相变是混乱的，它将引发气泡的形成，在那里宇宙的一些口袋已经相变到新的物理学，而其余的还没有做出这种变化（就像水沸腾一样，水的气相被困在被液体包围的气泡中）。

在他们的模型中，最早的暗物质是轻的，但来自后期的暗物质是重的。在这种场景中，暗物质被困在气泡内，在那里密度飙升到所有暗物质坍塌并形成黑洞的点上。这些黑洞很快经由霍金辐射蒸发------其中辐射以热能的形式缓慢地“漏”出黑洞------远在正常物质出现之前。

但随黑洞蒸发，暗物质做出一个返回，因为该团队的模型显示了黑洞在它们死亡前吐出新的暗物质粒子。这种巧妙的机制限制宇宙中大质量暗物质的总量，因为在黑洞彻底蒸发之前，只有这么多暗物质能逃脱黑洞。

这种蒸发过程也产生大量的暗物质粒子。虽然所有的暗物质粒子共享许多特征（例如可能几乎完全不可见），但它们会在它们的质量、速度以及与正常物质相互作用的方式中不同。在这个模型中，暗物质是广大的不同种类粒子的集合，就像正常物质由整个的元素元素周期表组成一样。