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為何暗物質(zhì)越來(lái)越少? 能量低就會(huì )被宇宙“冰封”淘汰

2020年11月23日 08:51:10來(lái)源:科技日報 作者:

  暗物質(zhì)聽(tīng)起來(lái)似乎神秘莫測、遙不可及。其實(shí),你隨意抬起手的一瞬間,就有可能碰觸到無(wú)數神秘的暗物質(zhì)。

  暗物質(zhì)看不見(jiàn)、摸不著(zhù),但在以往的研究中,又有許多證據證實(shí)其在宇宙中普遍存在。長(cháng)久以來(lái),無(wú)數學(xué)者對暗物質(zhì)展開(kāi)研究,但關(guān)于暗物質(zhì)粒子的物理性質(zhì)及其在早期宇宙中的起源,科學(xué)家仍舊知之甚少。

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

  宇宙早期 暗物質(zhì)比現在多得多

  要了解這項研究,需要從宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)講起?茖W(xué)家推測,宇宙混沌之初,世界萬(wàn)物皆起源于一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn),隨后宇宙不斷膨脹,就像發(fā)生了一次大爆炸。近140億年間,彌漫著(zhù)等離子體的宇宙不斷變冷,物質(zhì)密度也不斷變低。

  目前的天文觀(guān)測證據顯示,暗物質(zhì)在整個(gè)宇宙中所占的組分大約是22%;蛟S有人會(huì )驚嘆于當今宇宙暗物質(zhì)占比之大。但事實(shí)上,以往研究表明,暗物質(zhì)在早期宇宙時(shí)的占比更大。

  為什么暗物質(zhì)變少了?該研究認為,低能量的暗物質(zhì)被“過(guò)濾”掉了。

  “我們認為,暗物質(zhì)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(fā)的產(chǎn)物。在這一相變過(guò)程中,暗物質(zhì)粒子獲得了質(zhì)量,而低能量粒子則從等離子體中被‘過(guò)濾’出去了。”文章第一作者、澳大利亞墨爾本大學(xué)物理學(xué)院研究人員貝克在文章中寫(xiě)道。

  北京大學(xué)物理學(xué)院研究員劉佳在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示,大爆炸后的早期宇宙充斥著(zhù)各種各樣的粒子,包括如今我們看得見(jiàn)的粒子;也包括看不見(jiàn)的粒子,比如暗物質(zhì)。

  如果將宇宙看成是一鍋湯,早期宇宙隨處可見(jiàn)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(zhì)也是食材之一,好比羊肉塊。

  假如這口宇宙大鍋在某一時(shí)刻突然降溫,熱氣騰騰的水發(fā)生了相變,于是這鍋湯從某些地方開(kāi)始結冰,最終冰塊延展到整個(gè)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(jìn)入到已經(jīng)結冰的湯中絕非易事。同理,早期宇宙中暗物質(zhì)想要進(jìn)入到已經(jīng)相變的等離子體‘氣泡’中也沒(méi)那么容易,只有高能量的暗物質(zhì)可以進(jìn)去。”劉佳進(jìn)一步解釋?zhuān)谟钪?ldquo;由水變成冰”的過(guò)程中,只有能夠順利進(jìn)入到“冰”中的暗物質(zhì)才會(huì )被保存下來(lái),成為我們現在能夠預測到的暗物質(zhì)。也就是說(shuō),早期宇宙等離子體的相變過(guò)程就像是筑起了一道閘門(mén),只有極少數高能量暗物質(zhì)能夠順利保存下來(lái),而那些占大多數的低能量暗物質(zhì)則被拒之門(mén)外,或轉化為如今我們能夠看得見(jiàn)的粒子,或以其他不為人知的方式消失,遍尋不見(jiàn)。

  突破限制 高能量暗物質(zhì)更易“存活”

  “這是一個(gè)非常有趣新穎的觀(guān)點(diǎn)。”劉佳表示,該機制突破了100萬(wàn)億電子伏(TeV)的熱退耦機制(freeze-out)中暗物質(zhì)的幺正限制,為超重暗物質(zhì)提供了一種新的產(chǎn)生機制。

  熱退耦機制,是暗物質(zhì)起源的主流觀(guān)點(diǎn)之一。在宇宙最初高溫的時(shí)候,粒子之間碰撞概率很高,此時(shí)暗物質(zhì)與普通粒子可以相互轉換,二者處于熱平衡的狀態(tài)。比如,2個(gè)暗物質(zhì)粒子可以轉換成2個(gè)普通粒子,反之亦然。

  隨著(zhù)宇宙膨脹,溫度逐漸降低,粒子之間的間隔逐漸變遠。這時(shí),2個(gè)暗物質(zhì)粒子還是可以轉換成2個(gè)普通粒子,但2個(gè)普通粒子卻不能再轉換成2個(gè)暗物質(zhì)粒子了。因為普通粒子的能量與溫度相關(guān),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(zhì)等比轉化。這就解釋了暗物質(zhì)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(huì )也少了,所以經(jīng)過(guò)百億年的演變,暗物質(zhì)數量逐漸固定下來(lái)。

  劉佳告訴科技日報記者,熱退耦機制要求暗物質(zhì)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(zhì)反而會(huì )更容易“存活”下來(lái)。

  事實(shí)上,此前關(guān)于暗物質(zhì)的起源學(xué)說(shuō)并非熱退耦機制一枝獨秀,學(xué)界還有很多其他觀(guān)點(diǎn)。

  有學(xué)者在熱退耦機制基礎上提出了“改進(jìn)版”,還有學(xué)者提出了冷凍耦合機制(freeze-in)、超輕暗物質(zhì)的偏移模型等。熱退耦機制的“改進(jìn)版”觀(guān)點(diǎn)認為,暗物質(zhì)也可能轉換成我們目前認知之外的粒子。也就是說(shuō),暗物質(zhì)粒子不只是一種單一粒子,有可能會(huì )細分成更多粒子,它們或許在我們看不見(jiàn)的地方構成了一個(gè)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(xué)家為此不斷探索,希望有一天能揭開(kāi)它的神秘面紗。

  探尋蹤跡 科學(xué)家多管齊下

  “目前來(lái)看,人們對于暗物質(zhì)的認知也許只會(huì )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(guān)點(diǎn)是否正確,最有利的證據還是要真正找到暗物質(zhì)。

  尋找暗物質(zhì)有直接探測和間接探測之分。

  直接探測的方式類(lèi)似于守株待兔。中國科學(xué)院院士、國家天文臺臺長(cháng)常進(jìn)2020年7月在一場(chǎng)科普直播活動(dòng)中表示,我們生活在一團暗物質(zhì)云中,每秒鐘可能有幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)的暗物質(zhì)粒子穿過(guò)我們的身體。

  直接探測暗物質(zhì)的方法之一,就是利用精密的儀器密切觀(guān)察大量的原子核,如果足夠幸運,某一時(shí)刻暗物質(zhì)碰撞到某個(gè)原子核,會(huì )在原子核上留下殘余能量。

  當然,這種能量波動(dòng)極其微弱,而且宇宙中的各種射線(xiàn)同樣也有機會(huì )與這個(gè)原子核來(lái)一場(chǎng)親密的邂逅,從而對實(shí)驗結果產(chǎn)生干擾。

  因此,旨在直接探測到暗物質(zhì)的實(shí)驗室通常會(huì )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(shí)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(zhì)的“兒子”。學(xué)者認為,暗物質(zhì)可以通過(guò)湮滅產(chǎn)生極高能的光子、正負電子、正反質(zhì)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(zhì)相關(guān)的信號,也許就能找到暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡。我國發(fā)射的“悟空”號暗物質(zhì)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(guò)哪種探測暗物質(zhì)的方法,國內外學(xué)者都沒(méi)有真正找到暗物質(zhì)的蹤跡。雖然耗時(shí)費力,但對于虛無(wú)縹緲的暗物質(zhì),探索的腳步從未終止。“工欲善其事,必先利其器;A科學(xué)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(huì )間接推動(dòng)相關(guān)行業(yè)發(fā)展。而科學(xué),往往會(huì )在這個(gè)過(guò)程中獲得新奇的發(fā)現,或許將會(huì )掀起又一場(chǎng)科技革命。”劉佳說(shuō)。(于紫月)

聲明:轉載此文的目的是出于傳遞更多信息。若有來(lái)源標注錯誤或侵犯了您的合法權益,請與本網(wǎng)聯(lián)系(ldqxnw@163.com),我們將及時(shí)更正或刪除,謝謝!

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為何暗物質(zhì)越來(lái)越少? 能量低就會(huì )被宇宙“冰封”淘汰

科技日報 | 2020年11月23日 08:51:10 | 

  暗物質(zhì)聽(tīng)起來(lái)似乎神秘莫測、遙不可及。其實(shí),你隨意抬起手的一瞬間,就有可能碰觸到無(wú)數神秘的暗物質(zhì)。

  暗物質(zhì)看不見(jiàn)、摸不著(zhù),但在以往的研究中,又有許多證據證實(shí)其在宇宙中普遍存在。長(cháng)久以來(lái),無(wú)數學(xué)者對暗物質(zhì)展開(kāi)研究,但關(guān)于暗物質(zhì)粒子的物理性質(zhì)及其在早期宇宙中的起源,科學(xué)家仍舊知之甚少。

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

  宇宙早期 暗物質(zhì)比現在多得多

  要了解這項研究,需要從宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)講起?茖W(xué)家推測,宇宙混沌之初,世界萬(wàn)物皆起源于一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn),隨后宇宙不斷膨脹,就像發(fā)生了一次大爆炸。近140億年間,彌漫著(zhù)等離子體的宇宙不斷變冷,物質(zhì)密度也不斷變低。

  目前的天文觀(guān)測證據顯示,暗物質(zhì)在整個(gè)宇宙中所占的組分大約是22%;蛟S有人會(huì )驚嘆于當今宇宙暗物質(zhì)占比之大。但事實(shí)上,以往研究表明,暗物質(zhì)在早期宇宙時(shí)的占比更大。

  為什么暗物質(zhì)變少了?該研究認為,低能量的暗物質(zhì)被“過(guò)濾”掉了。

  “我們認為,暗物質(zhì)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(fā)的產(chǎn)物。在這一相變過(guò)程中,暗物質(zhì)粒子獲得了質(zhì)量,而低能量粒子則從等離子體中被‘過(guò)濾’出去了。”文章第一作者、澳大利亞墨爾本大學(xué)物理學(xué)院研究人員貝克在文章中寫(xiě)道。

  北京大學(xué)物理學(xué)院研究員劉佳在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示,大爆炸后的早期宇宙充斥著(zhù)各種各樣的粒子,包括如今我們看得見(jiàn)的粒子;也包括看不見(jiàn)的粒子,比如暗物質(zhì)。

  如果將宇宙看成是一鍋湯,早期宇宙隨處可見(jiàn)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(zhì)也是食材之一,好比羊肉塊。

  假如這口宇宙大鍋在某一時(shí)刻突然降溫,熱氣騰騰的水發(fā)生了相變,于是這鍋湯從某些地方開(kāi)始結冰,最終冰塊延展到整個(gè)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(jìn)入到已經(jīng)結冰的湯中絕非易事。同理,早期宇宙中暗物質(zhì)想要進(jìn)入到已經(jīng)相變的等離子體‘氣泡’中也沒(méi)那么容易,只有高能量的暗物質(zhì)可以進(jìn)去。”劉佳進(jìn)一步解釋?zhuān)谟钪?ldquo;由水變成冰”的過(guò)程中,只有能夠順利進(jìn)入到“冰”中的暗物質(zhì)才會(huì )被保存下來(lái),成為我們現在能夠預測到的暗物質(zhì)。也就是說(shuō),早期宇宙等離子體的相變過(guò)程就像是筑起了一道閘門(mén),只有極少數高能量暗物質(zhì)能夠順利保存下來(lái),而那些占大多數的低能量暗物質(zhì)則被拒之門(mén)外,或轉化為如今我們能夠看得見(jiàn)的粒子,或以其他不為人知的方式消失,遍尋不見(jiàn)。

  突破限制 高能量暗物質(zhì)更易“存活”

  “這是一個(gè)非常有趣新穎的觀(guān)點(diǎn)。”劉佳表示,該機制突破了100萬(wàn)億電子伏(TeV)的熱退耦機制(freeze-out)中暗物質(zhì)的幺正限制,為超重暗物質(zhì)提供了一種新的產(chǎn)生機制。

  熱退耦機制,是暗物質(zhì)起源的主流觀(guān)點(diǎn)之一。在宇宙最初高溫的時(shí)候,粒子之間碰撞概率很高,此時(shí)暗物質(zhì)與普通粒子可以相互轉換,二者處于熱平衡的狀態(tài)。比如,2個(gè)暗物質(zhì)粒子可以轉換成2個(gè)普通粒子,反之亦然。

  隨著(zhù)宇宙膨脹,溫度逐漸降低,粒子之間的間隔逐漸變遠。這時(shí),2個(gè)暗物質(zhì)粒子還是可以轉換成2個(gè)普通粒子,但2個(gè)普通粒子卻不能再轉換成2個(gè)暗物質(zhì)粒子了。因為普通粒子的能量與溫度相關(guān),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(zhì)等比轉化。這就解釋了暗物質(zhì)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(huì )也少了,所以經(jīng)過(guò)百億年的演變,暗物質(zhì)數量逐漸固定下來(lái)。

  劉佳告訴科技日報記者,熱退耦機制要求暗物質(zhì)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(zhì)反而會(huì )更容易“存活”下來(lái)。

  事實(shí)上,此前關(guān)于暗物質(zhì)的起源學(xué)說(shuō)并非熱退耦機制一枝獨秀,學(xué)界還有很多其他觀(guān)點(diǎn)。

  有學(xué)者在熱退耦機制基礎上提出了“改進(jìn)版”,還有學(xué)者提出了冷凍耦合機制(freeze-in)、超輕暗物質(zhì)的偏移模型等。熱退耦機制的“改進(jìn)版”觀(guān)點(diǎn)認為,暗物質(zhì)也可能轉換成我們目前認知之外的粒子。也就是說(shuō),暗物質(zhì)粒子不只是一種單一粒子,有可能會(huì )細分成更多粒子,它們或許在我們看不見(jiàn)的地方構成了一個(gè)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(xué)家為此不斷探索,希望有一天能揭開(kāi)它的神秘面紗。

  探尋蹤跡 科學(xué)家多管齊下

  “目前來(lái)看,人們對于暗物質(zhì)的認知也許只會(huì )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(guān)點(diǎn)是否正確,最有利的證據還是要真正找到暗物質(zhì)。

  尋找暗物質(zhì)有直接探測和間接探測之分。

  直接探測的方式類(lèi)似于守株待兔。中國科學(xué)院院士、國家天文臺臺長(cháng)常進(jìn)2020年7月在一場(chǎng)科普直播活動(dòng)中表示,我們生活在一團暗物質(zhì)云中,每秒鐘可能有幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)的暗物質(zhì)粒子穿過(guò)我們的身體。

  直接探測暗物質(zhì)的方法之一,就是利用精密的儀器密切觀(guān)察大量的原子核,如果足夠幸運,某一時(shí)刻暗物質(zhì)碰撞到某個(gè)原子核,會(huì )在原子核上留下殘余能量。

  當然,這種能量波動(dòng)極其微弱,而且宇宙中的各種射線(xiàn)同樣也有機會(huì )與這個(gè)原子核來(lái)一場(chǎng)親密的邂逅,從而對實(shí)驗結果產(chǎn)生干擾。

  因此,旨在直接探測到暗物質(zhì)的實(shí)驗室通常會(huì )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(shí)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(zhì)的“兒子”。學(xué)者認為,暗物質(zhì)可以通過(guò)湮滅產(chǎn)生極高能的光子、正負電子、正反質(zhì)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(zhì)相關(guān)的信號,也許就能找到暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡。我國發(fā)射的“悟空”號暗物質(zhì)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(guò)哪種探測暗物質(zhì)的方法,國內外學(xué)者都沒(méi)有真正找到暗物質(zhì)的蹤跡。雖然耗時(shí)費力,但對于虛無(wú)縹緲的暗物質(zhì),探索的腳步從未終止。“工欲善其事,必先利其器;A科學(xué)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(huì )間接推動(dòng)相關(guān)行業(yè)發(fā)展。而科學(xué),往往會(huì )在這個(gè)過(guò)程中獲得新奇的發(fā)現,或許將會(huì )掀起又一場(chǎng)科技革命。”劉佳說(shuō)。(于紫月)

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