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為何暗物質越來越少? 能量低就會被宇宙“冰封”淘汰

2020年11月23日 08:51:10來源:科技日報 作者:

  暗物質聽起來似乎神秘莫測、遙不可及。其實,你隨意抬起手的一瞬間,就有可能碰觸到無數神秘的暗物質。

  暗物質看不見、摸不著,但在以往的研究中,又有許多證據證實其在宇宙中普遍存在。長久以來,無數學者對暗物質展開研究,但關于暗物質粒子的物理性質及其在早期宇宙中的起源,科學家仍舊知之甚少。

  11月4日,據國外媒體報道,來自澳大利亞墨爾本大學、歐洲核子中心、美國萊斯大學等的研究人員組成的國際研究團隊,提出了一種關于暗物質的新觀點。他們認為,宇宙大爆炸時期,等離子體一級相變如同一張濾網,“過濾”掉了大部分暗物質,僅有少數暗物質留存下來,才演變成當今宇宙的“暗物質地圖”。

  宇宙早期 暗物質比現在多得多

  要了解這項研究,需要從宇宙大爆炸學說講起。科學家推測,宇宙混沌之初,世界萬物皆起源于一個致密熾熱的奇點,隨后宇宙不斷膨脹,就像發生了一次大爆炸。近140億年間,彌漫著等離子體的宇宙不斷變冷,物質密度也不斷變低。

  目前的天文觀測證據顯示,暗物質在整個宇宙中所占的組分大約是22%。或許有人會驚嘆于當今宇宙暗物質占比之大。但事實上,以往研究表明,暗物質在早期宇宙時的占比更大。

  為什么暗物質變少了?該研究認為,低能量的暗物質被“過濾”掉了。

  “我們認為,暗物質并非宇宙中等離子體逐漸冷卻的結果,而是由等離子體一級相變(FOPT)突然觸發的產物。在這一相變過程中,暗物質粒子獲得了質量,而低能量粒子則從等離子體中被‘過濾’出去了。”文章第一作者、澳大利亞墨爾本大學物理學院研究人員貝克在文章中寫道。

  北京大學物理學院研究員劉佳在接受科技日報記者采訪時表示,大爆炸后的早期宇宙充斥著各種各樣的粒子,包括如今我們看得見的粒子;也包括看不見的粒子,比如暗物質。

  如果將宇宙看成是一鍋湯,早期宇宙隨處可見的等離子體就是這鍋湯的主要組成部分。各種粒子就像是湯中的牛羊肉、丸子、胡蘿卜塊等食材,暗物質也是食材之一,好比羊肉塊。

  假如這口宇宙大鍋在某一時刻突然降溫,熱氣騰騰的水發生了相變,于是這鍋湯從某些地方開始結冰,最終冰塊延展到整個鍋,就成了我們現在所看到的宇宙。

  “日常生活中,讓水中的羊肉進入到已經結冰的湯中絕非易事。同理,早期宇宙中暗物質想要進入到已經相變的等離子體‘氣泡’中也沒那么容易,只有高能量的暗物質可以進去。”劉佳進一步解釋,在宇宙“由水變成冰”的過程中,只有能夠順利進入到“冰”中的暗物質才會被保存下來,成為我們現在能夠預測到的暗物質。也就是說,早期宇宙等離子體的相變過程就像是筑起了一道閘門,只有極少數高能量暗物質能夠順利保存下來,而那些占大多數的低能量暗物質則被拒之門外,或轉化為如今我們能夠看得見的粒子,或以其他不為人知的方式消失,遍尋不見。

  突破限制 高能量暗物質更易“存活”

  “這是一個非常有趣新穎的觀點。”劉佳表示,該機制突破了100萬億電子伏(TeV)的熱退耦機制(freeze-out)中暗物質的幺正限制,為超重暗物質提供了一種新的產生機制。

  熱退耦機制,是暗物質起源的主流觀點之一。在宇宙最初高溫的時候,粒子之間碰撞概率很高,此時暗物質與普通粒子可以相互轉換,二者處于熱平衡的狀態。比如,2個暗物質粒子可以轉換成2個普通粒子,反之亦然。

  隨著宇宙膨脹,溫度逐漸降低,粒子之間的間隔逐漸變遠。這時,2個暗物質粒子還是可以轉換成2個普通粒子,但2個普通粒子卻不能再轉換成2個暗物質粒子了。因為普通粒子的能量與溫度相關,宇宙變冷了,它們的能量也相應下降了,不能再支撐其與暗物質等比轉化。這就解釋了暗物質數量為何由多變少。另一方面,由于粒子間碰撞的概率降低,這種轉換的機會也少了,所以經過百億年的演變,暗物質數量逐漸固定下來。

  劉佳告訴科技日報記者,熱退耦機制要求暗物質的能量必須小于100TeV,但是貝克等人提出的新機制卻與之不同,高能量的暗物質反而會更容易“存活”下來。

  事實上,此前關于暗物質的起源學說并非熱退耦機制一枝獨秀,學界還有很多其他觀點。

  有學者在熱退耦機制基礎上提出了“改進版”,還有學者提出了冷凍耦合機制(freeze-in)、超輕暗物質的偏移模型等。熱退耦機制的“改進版”觀點認為,暗物質也可能轉換成我們目前認知之外的粒子。也就是說,暗物質粒子不只是一種單一粒子,有可能會細分成更多粒子,它們或許在我們看不見的地方構成了一個與我們所在的世界完全不同的“暗世界”。這樣的世界是否真的存在?科學家為此不斷探索,希望有一天能揭開它的神秘面紗。

  探尋蹤跡 科學家多管齊下

  “目前來看,人們對于暗物質的認知也許只會受限于想象力。”劉佳告訴科技日報記者,如果想要驗證這些觀點是否正確,最有利的證據還是要真正找到暗物質。

  尋找暗物質有直接探測和間接探測之分。

  直接探測的方式類似于守株待兔。中國科學院院士、國家天文臺臺長常進2020年7月在一場科普直播活動中表示,我們生活在一團暗物質云中,每秒鐘可能有幾百萬甚至上千萬的暗物質粒子穿過我們的身體。

  直接探測暗物質的方法之一,就是利用精密的儀器密切觀察大量的原子核,如果足夠幸運,某一時刻暗物質碰撞到某個原子核,會在原子核上留下殘余能量。

  當然,這種能量波動極其微弱,而且宇宙中的各種射線同樣也有機會與這個原子核來一場親密的邂逅,從而對實驗結果產生干擾。

  因此,旨在直接探測到暗物質的實驗室通常會建于極深的地下或山下,盡最大可能屏蔽掉這些干擾。例如位于我國四川的錦屏深地核天體物理實驗室,其上垂直巖石的覆蓋就厚達2400米。

  間接探測則致力于尋找暗物質的“兒子”。學者認為,暗物質可以通過湮滅產生極高能的光子、正負電子、正反質子或者中微子。如果我們能在眾多天文信號中剝離出這些暗物質相關的信號,也許就能找到暗物質存在的蛛絲馬跡。我國發射的“悟空”號暗物質粒子探測衛星正是致力于此。

  遺憾的是,到目前為止,不論是通過哪種探測暗物質的方法,國內外學者都沒有真正找到暗物質的蹤跡。雖然耗時費力,但對于虛無縹緲的暗物質,探索的腳步從未終止。“工欲善其事,必先利其器。基礎科學需要一些高精尖的裝置,也需要將這些裝置做到極致,這將會間接推動相關行業發展。而科學,往往會在這個過程中獲得新奇的發現,或許將會掀起又一場科技革命。”劉佳說。(于紫月)

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為何暗物質越來越少? 能量低就會被宇宙“冰封”淘汰

科技日報 | 2020年11月23日 08:51:10 | 

  暗物質聽起來似乎神秘莫測、遙不可及。其實,你隨意抬起手的一瞬間,就有可能碰觸到無數神秘的暗物質。

  暗物質看不見、摸不著,但在以往的研究中,又有許多證據證實其在宇宙中普遍存在。長久以來,無數學者對暗物質展開研究,但關于暗物質粒子的物理性質及其在早期宇宙中的起源,科學家仍舊知之甚少。

  11月4日,據國外媒體報道,來自澳大利亞墨爾本大學、歐洲核子中心、美國萊斯大學等的研究人員組成的國際研究團隊,提出了一種關于暗物質的新觀點。他們認為,宇宙大爆炸時期,等離子體一級相變如同一張濾網,“過濾”掉了大部分暗物質,僅有少數暗物質留存下來,才演變成當今宇宙的“暗物質地圖”。

  宇宙早期 暗物質比現在多得多

  要了解這項研究,需要從宇宙大爆炸學說講起。科學家推測,宇宙混沌之初,世界萬物皆起源于一個致密熾熱的奇點,隨后宇宙不斷膨脹,就像發生了一次大爆炸。近140億年間,彌漫著等離子體的宇宙不斷變冷,物質密度也不斷變低。

  目前的天文觀測證據顯示,暗物質在整個宇宙中所占的組分大約是22%。或許有人會驚嘆于當今宇宙暗物質占比之大。但事實上,以往研究表明,暗物質在早期宇宙時的占比更大。

  為什么暗物質變少了?該研究認為,低能量的暗物質被“過濾”掉了。

  “我們認為,暗物質并非宇宙中等離子體逐漸冷卻的結果,而是由等離子體一級相變(FOPT)突然觸發的產物。在這一相變過程中,暗物質粒子獲得了質量,而低能量粒子則從等離子體中被‘過濾’出去了。”文章第一作者、澳大利亞墨爾本大學物理學院研究人員貝克在文章中寫道。

  北京大學物理學院研究員劉佳在接受科技日報記者采訪時表示,大爆炸后的早期宇宙充斥著各種各樣的粒子,包括如今我們看得見的粒子;也包括看不見的粒子,比如暗物質。

  如果將宇宙看成是一鍋湯,早期宇宙隨處可見的等離子體就是這鍋湯的主要組成部分。各種粒子就像是湯中的牛羊肉、丸子、胡蘿卜塊等食材,暗物質也是食材之一,好比羊肉塊。

  假如這口宇宙大鍋在某一時刻突然降溫,熱氣騰騰的水發生了相變,于是這鍋湯從某些地方開始結冰,最終冰塊延展到整個鍋,就成了我們現在所看到的宇宙。

  “日常生活中,讓水中的羊肉進入到已經結冰的湯中絕非易事。同理,早期宇宙中暗物質想要進入到已經相變的等離子體‘氣泡’中也沒那么容易,只有高能量的暗物質可以進去。”劉佳進一步解釋,在宇宙“由水變成冰”的過程中,只有能夠順利進入到“冰”中的暗物質才會被保存下來,成為我們現在能夠預測到的暗物質。也就是說,早期宇宙等離子體的相變過程就像是筑起了一道閘門,只有極少數高能量暗物質能夠順利保存下來,而那些占大多數的低能量暗物質則被拒之門外,或轉化為如今我們能夠看得見的粒子,或以其他不為人知的方式消失,遍尋不見。

  突破限制 高能量暗物質更易“存活”

  “這是一個非常有趣新穎的觀點。”劉佳表示,該機制突破了100萬億電子伏(TeV)的熱退耦機制(freeze-out)中暗物質的幺正限制,為超重暗物質提供了一種新的產生機制。

  熱退耦機制,是暗物質起源的主流觀點之一。在宇宙最初高溫的時候,粒子之間碰撞概率很高,此時暗物質與普通粒子可以相互轉換,二者處于熱平衡的狀態。比如,2個暗物質粒子可以轉換成2個普通粒子,反之亦然。

  隨著宇宙膨脹,溫度逐漸降低,粒子之間的間隔逐漸變遠。這時,2個暗物質粒子還是可以轉換成2個普通粒子,但2個普通粒子卻不能再轉換成2個暗物質粒子了。因為普通粒子的能量與溫度相關,宇宙變冷了,它們的能量也相應下降了,不能再支撐其與暗物質等比轉化。這就解釋了暗物質數量為何由多變少。另一方面,由于粒子間碰撞的概率降低,這種轉換的機會也少了,所以經過百億年的演變,暗物質數量逐漸固定下來。

  劉佳告訴科技日報記者,熱退耦機制要求暗物質的能量必須小于100TeV,但是貝克等人提出的新機制卻與之不同,高能量的暗物質反而會更容易“存活”下來。

  事實上,此前關于暗物質的起源學說并非熱退耦機制一枝獨秀,學界還有很多其他觀點。

  有學者在熱退耦機制基礎上提出了“改進版”,還有學者提出了冷凍耦合機制(freeze-in)、超輕暗物質的偏移模型等。熱退耦機制的“改進版”觀點認為,暗物質也可能轉換成我們目前認知之外的粒子。也就是說,暗物質粒子不只是一種單一粒子,有可能會細分成更多粒子,它們或許在我們看不見的地方構成了一個與我們所在的世界完全不同的“暗世界”。這樣的世界是否真的存在?科學家為此不斷探索,希望有一天能揭開它的神秘面紗。

  探尋蹤跡 科學家多管齊下

  “目前來看,人們對于暗物質的認知也許只會受限于想象力。”劉佳告訴科技日報記者,如果想要驗證這些觀點是否正確,最有利的證據還是要真正找到暗物質。

  尋找暗物質有直接探測和間接探測之分。

  直接探測的方式類似于守株待兔。中國科學院院士、國家天文臺臺長常進2020年7月在一場科普直播活動中表示,我們生活在一團暗物質云中,每秒鐘可能有幾百萬甚至上千萬的暗物質粒子穿過我們的身體。

  直接探測暗物質的方法之一,就是利用精密的儀器密切觀察大量的原子核,如果足夠幸運,某一時刻暗物質碰撞到某個原子核,會在原子核上留下殘余能量。

  當然,這種能量波動極其微弱,而且宇宙中的各種射線同樣也有機會與這個原子核來一場親密的邂逅,從而對實驗結果產生干擾。

  因此,旨在直接探測到暗物質的實驗室通常會建于極深的地下或山下,盡最大可能屏蔽掉這些干擾。例如位于我國四川的錦屏深地核天體物理實驗室,其上垂直巖石的覆蓋就厚達2400米。

  間接探測則致力于尋找暗物質的“兒子”。學者認為,暗物質可以通過湮滅產生極高能的光子、正負電子、正反質子或者中微子。如果我們能在眾多天文信號中剝離出這些暗物質相關的信號,也許就能找到暗物質存在的蛛絲馬跡。我國發射的“悟空”號暗物質粒子探測衛星正是致力于此。

  遺憾的是,到目前為止,不論是通過哪種探測暗物質的方法,國內外學者都沒有真正找到暗物質的蹤跡。雖然耗時費力,但對于虛無縹緲的暗物質,探索的腳步從未終止。“工欲善其事,必先利其器。基礎科學需要一些高精尖的裝置,也需要將這些裝置做到極致,這將會間接推動相關行業發展。而科學,往往會在這個過程中獲得新奇的發現,或許將會掀起又一場科技革命。”劉佳說。(于紫月)

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