研究人员提出了一种关于暗物质起源的新理论，暗物质是一种被认为赋予宇宙形状和结构的不可见物质。他们的数学模型表明，暗物质可能在早期宇宙中通过无质量粒子的碰撞而形成，这些粒子失去了能量并凝聚——就像蒸汽转变为水一样——成为冷重的粒子。他们报告称，他们的理论可以利用现有数据进行测试——这些暗物质粒子会在填满整个宇宙的辐射上具有独特的特征，这种辐射被称为宇宙微波背景辐射。
达特茅斯大学的研究人员进行的一项研究提出了一种关于暗物质起源的新理论，这种神秘的不可见物质被认为赋予宇宙形状和结构。
研究人员在物理评论快报中报告称，暗物质可能是在宇宙早期通过高能无质量粒子的碰撞形成的，这些粒子失去了活力，并在配对后立即获得了惊人的质量，按照他们的数学模型。
虽然这种假设尚未得到证实，但基于观察到的无法通过可见物质解释的引力效应，科学家们相信暗物质的存在。科学家估计，宇宙总质量的85%是暗物质。
但研究作者写道，他们的理论是独特的，因为它可以利用现有的观测数据进行测试。他们建议构成暗物质的极低能量粒子将在宇宙微波背景辐射（CMB）上具有独特的特征，而CMB是来自大爆炸后填满整个宇宙的剩余辐射。
“暗物质开始时是近乎无质量的相对论粒子，几乎像光一样，”论文的高级作者、物理与天文学教授罗伯特·考德威尔说。
“这与人们认为暗物质的特性截然相反——它实际上是给予银河系质量的冷块，”考德威尔说。“我们的理论试图解释它是如何从光变成块状物质的。”
在科学家认为触发宇宙扩展的能量爆发——大爆炸之后，热、快速移动的粒子主导了宇宙。这些粒子类似于光子，光子是光的基本能量或量子。
考德威尔和研究的首席作者、达特茅斯大学高年级学生梁冠明表示，正是在这种混乱中，极其大量的这些粒子彼此结合。
他们推测，这些无质量粒子是由于自旋方向的相反而被拉在一起，就像磁铁的南北极之间的吸引力。
随着粒子的冷却，考德威尔和梁说，粒子自旋的不平衡使它们的能量骤降，类似于蒸汽迅速冷却为水。结果就是科学家们认为构成暗物质的冷重粒子。
“我们数学模型中最意外的部分是能量骤降，这一现象连接着高密度能量和粗糙低能量，”梁说。
“在那个阶段，就像这些对正在准备变成暗物质，”考德威尔说。“这个相变有助于解释我们今天可以检测到的暗物质的丰度。它源于早期宇宙中极高能量粒子的高密度集群。”
该研究引入了一种理论粒子，该粒子将启动向暗物质的转变。但科学家们已经知道，名为电子的亚原子粒子可以经历类似的转变，考德威尔和梁说。
在低温下，两个电子可以形成所谓的库珀对，这些对可以无阻力地导电，并且是某些超导体中的活跃机制。考德威尔和梁引用库珀对的存在作为证据，证明他们理论中的无质量粒子能够凝聚成暗物质。
“我们寻找超导性作为线索，以确认某种相互作用是否能导致能量如此突然下降，”考德威尔说。“库珀对证明了这一机制的存在。”
这些粒子从宇宙中相当于双份浓缩咖啡转变为隔夜燕麦的过程，解释了当前宇宙的能量密度与早期宇宙相比的巨大不足，梁说。科学家们知道，自大爆炸以来，密度已经下降，因为宇宙的能量向外扩展。但梁和考德威尔的理论同样解释了物质密度的增加。
“结构由于冷暗物质的密度而获得质量，但也必须有一个机制使得能量密度降低到接近我们今天所看到的水平，”梁说。
“我们理论的数学模型非常美丽，因为它相对简单——你不需要在系统中构建很多东西才能使其工作，”他说。“它基于我们知道存在的概念和时间线。”
他们的理论建议，粒子对在变得更慢且更重的过程中进入了几乎没有压力的冷态。这一特性使它们在CMB上显得突出。CMB已经通过若干大型观测项目进行了研究，现在是智利西蒙斯天文台和其他实验如CMB第四阶段的当前焦点。
研究人员表示，现有和未来这些项目的数据可以用来测试考德威尔和梁的理论。
“这令人兴奋，”考德威尔说。“我们正在提出一种新的思维方式，以思考并可能识别暗物质。”
