摘要：暗物质之谜差不多已经困惑天文学界一个世纪。天文学家之所以执拗地相信暗物质存在，是因为它解决了几个天文学上令人头疼的问题。比如，他们发现，星系团中星系相互绕行的速度远比他们预料中的要快，这表明星系团中肯定还存在很大一部分未被探测到的物质，正是它们的引力提供了额外

烧开一壶水。坐下来聆听气泡膨胀、破裂和碰撞的声音。恭喜，你刚刚做了一个模拟大爆炸的实验。

当然，我这样说是夸张了。不过呢，未来宇宙学家将通过与你类似的做法——通过“聆听”宇宙尺度上的气泡碰撞，来解决长期困扰他们的暗物质之谜。

我们迄今探测暗物质的努力

暗物质之谜差不多已经困惑天文学界一个世纪。天文学家之所以执拗地相信暗物质存在，是因为它解决了几个天文学上令人头疼的问题。比如，他们发现，星系团中星系相互绕行的速度远比他们预料中的要快，这表明星系团中肯定还存在很大一部分未被探测到的物质，正是它们的引力提供了额外的向心力。同样，单个星系边缘的恒星也似乎旋转过快，如果没有额外物质的引力提供向心力，它们早该飞离出去。这些观测表明，宇宙中存在着质量巨大的暗物质，是正常物质的5倍之多。但尽管如此，我们却迄今未能识别出构成暗物质的粒子。

40年来，物理学家一直在为此建造精密的探测器。不管暗物质粒子是什么，地球在银河系中移动的时候，总该会拦截到一些。这些实验大多在寻找弱相互作用大质量粒子(简称WIMP)。除了通过引力相互作用外，这种假想的粒子还会感受到自然界中的四种基本作用力之一——弱核力。这意味着，如果存在WIMP，它们的行为就类似中微子，会与原子核相互作用，虽然概率很小。因此，物理学家用大桶大桶的液体做探测材料，希望能发现暗物质粒子与其中一个原子核碰撞的蛛丝马迹，可是这种粒子一直没有现身。

但在美国德克萨斯大学的凯瑟琳·弗瑞丝看来，我们至今未能发现这些粒子，这可能说明了暗物质的一个真相，即它跟正常物质根本就没有弱核力作用，引力是它们之间的唯一联系。这对物理学家来说不啻是一场噩梦，因为弱核力虽弱，毕竟还是比引力强好几个量级，而单个粒子的引力弱到几乎不可能被探测到。

作为宇宙相变的暗大爆炸

然而，弗瑞丝却将此作为重新思考暗物质的理由：如果找不到暗物质，那么也许是该重新审视我们关于暗物质是如何产生的假设了，希望这能为我们了解暗物质提供新的视角。她说：“人们总是假设万物都是在一次大爆炸中同时产生的，但谁又知道这是不是真的?”

2023年2月，弗瑞丝和她的同事提出，在正常的大爆炸(即产生正常物质的大爆炸)之后的几周内，还发生了第二次大爆炸。他们称其为“暗大爆炸”——因为这次大爆炸产生了暗物质。这听起来可能很荒谬，但也并非毫无根据的胡乱猜测。

我们知道，宇宙大爆炸理论是在1960年代找到了决定性的证据——宇宙微波背景辐射(CMB)——之后，才被天文学家广为接受的。随后，为了解释整个宇宙的CMB温度为何如此均匀，物理学家又提出，在大爆炸之后不久，宇宙一度经历了一场极度的膨胀，这被称为“暴胀”。

宇宙暴胀实质上是一种相变，类似于水壶中水变成水蒸气的转变。物理学家后来意识到，在宇宙早期，相变可能不只发生了一次，而且也不只有暴胀这一种形式。举例来说，从空无一物的时空能量场(希格斯场)中创造出有质量的基本粒子，这也是一种相变;再比如说，从统一场中分离出4种基本作用力(引力、强核力、弱核力和电磁力)，这也是一种相变。与此同时，人们提出了更多推测性的相变，来解释暗能量等谜团。这些相变发生在不同的时间点，对应的不是同一个事件。

有鉴于此，弗瑞丝认为，暗物质也可能是在另一场相变中产生的。当然，如果耸人听闻一下，也可以说发生了另一场大爆炸，即所谓的暗大爆炸。第一场大爆炸产生了正常物质，第二场大爆炸产生了暗物质。

暗大爆炸对暗物质的预言

弗瑞丝的计算表明，暗大爆炸至少会产生三种不同类型的暗物质粒子，它们的质量不一样，而且都很怪异。

要产生质量最大的粒子，相变必须是突然的，这会产生膨胀的气泡。当这些气泡碰撞时，会释放能量。这就像你在水壶开始沸腾时听到的嘶嘶声，成千上万的小气泡冒了出来。在这种暗大爆炸中，气泡的能量非常高，有可能产生质量是质子质量10万亿倍的暗物质粒子。

另一方面，如果相变是渐进的，暗大爆炸就会产生较轻的粒子。第一种类似于WIMP。它们会与暗力(比如暗电磁力)相互作用，从而产生暗光子。第二种粒子听起来有些可怕，它们在碰撞时会互相吞噬。

其实，这些都不是什么新鲜概念。但弗瑞丝等人提议的特别之处在于，他们的暗物质是非常“暗”的：除了引力之外，宇宙的明暗两面没有任何联系。

至于引发暗大爆炸所需的能量来自哪里，目前还不清楚。但是，这有什么关系!引发正常大爆炸所需的能量来自哪里，我们不是也不清楚么?所以，这个猜测从表面上看，没有任何问题，关键在于它是否可以检验。

如何验证暗大爆炸

对这个问题，弗瑞丝的回答是肯定的。她说，与暗大爆炸相关的相变气泡的碰撞会在时空中留下明显的指纹——引力波。她甚至认为，我们可能已经看到了这些引力波，只是不知道它们的真实来源而已。

2016年，激光干涉仪引力波天文台宣布首次探测到引力波。从那时起，我们又有100多次探测到引力波。每一次都可以追溯到两个超高密度天体(比如黑洞和中子星)之间的碰撞。

但还有另一种引力波信号：一种类似背景的嗡嗡噪声。2023年6月，北美引力波纳米赫兹天文台(NANOGrav)的天文学家探测到了这种引力波背景噪声。信号太微弱，无法确定其来源。大多数人认为，它们可能是由许多无法单独分辨出来的遥远黑洞碰撞产生的。但暗大爆炸也是一种可能的替代解释。至少根据现有数据，无法排除暗大爆炸的可能性。

NANOGrav的工作原理是测量引力波背景噪声对脉冲星信号的微小干扰。如果噪声对不同脉冲星的干扰是不一样的，这将表明它们来自黑洞碰撞，因为发生碰撞的黑洞距离每颗脉冲星的远近不同，所以干扰强度可以不一样。但如果噪声对每颗脉冲星的干扰是一样大小的，这将表明，这些噪声来自宇宙相变，因为只有发生在整个宇宙范围的相变，才会对所有脉冲星一视同仁。

当然，如果是后一种情况的话，引力波背景噪声可能是由许多不同的相变(包括暴胀)相互重叠而来的。这些相变必须加以分解，最后才能知道有没有发生暗大爆炸。

来源：大科技杂志社