暗物質在大爆炸後比重下降 數量比遠古宇宙少5%

暗物質

前情提要

普通物質由質子、電子、中子、中微子和光子構成。科學家認為暗物質也由多個組件構成,其中一個組件由不穩定的粒子構成。在大爆炸後數十萬年時間的氫形成時代,它們仍舊存在於宇宙之中,但幾十億年過後,它們消失蹤影,衰變成中微子或者假設中存在的相對論性粒子。

莫斯科物理技術學院的德米特裡·戈爾布諾夫表示:“在這種情況下,氫形成時代的暗物質數量與今天存在差異。”

藝術概念圖,原始氫氣形成恆星

天文學家第一次懷疑宇宙中存在大量“隱藏質量”是在上世紀30年代,當時弗裡茨·茲維基在後發座的一個星系團發現奇異現象。這些星系似乎在一個未見源產生的引力效應下移動。除了引力效應,這個隱藏質量並不以任何方式顯現,因此被稱之為“暗物質”。根據普朗克望遠鏡的觀測數據,暗物質在宇宙中的比重為26.8%,余下的是普通物質(4.9%)和暗能量(68.3%)。

2016年12月,莫斯科物理技術學院、俄羅斯科學院核能研究所和新西伯利亞國立大學的科學家發現大爆炸後不久構成暗物質的不穩定粒子比例不超過2%到5%。

藝術概念圖,銀河系的暗物質藍色光暈

研究論文合著者、核能研究所實驗物理學部門負責人和莫斯科物理技術學院基本互動與宇宙學系講師伊戈爾·特卡切尼指出:“現代宇宙與大爆炸後不久的宇宙學參數的差異可以歸結為暗物質比重下降。現在,我們第一次計算出暗物質的流失數量,以及不穩定組成部分的相應規摸。”

暗物質的本質仍是一個未知數,不過它們的特性有可能幫助科學家解答在對普朗克望遠鏡觀測數據分析後發現的問題。這架望遠鏡對宇宙微波背景異塵餘生——大爆炸的“回聲”——的溫度波動進行了精確測量。通過測量這些波動,研究人員能夠計算出大爆炸後30萬年複合時期的關鍵宇宙學參數。

普朗克望遠鏡藝術概念圖

特卡切尼表示:“在這些參數中,用於描述宇宙的膨脹速度的哈勃參數以及與星系團的星系數量有關的參數和直接觀測星系膨脹速度和研究星系團得到的現代宇宙的觀測數據之間存在很大差異。這種差異遠遠超過我們已知的誤差幅度和系統誤差。這意味著我們要麽遭遇了某些未知的誤差,要麽遠古宇宙的構成與現代宇宙截然不同。”

這種差異可以用衰變暗物質假設解釋。根據這一假設,早期宇宙的暗物質數量超過現在,但部分暗物質隨後發生衰變。

136億年前宇宙暗物質分布模擬圖

特卡切尼、研究論文主執筆人戈爾布諾夫和安東·楚達金分析了普朗克觀測數據,同時將這些數據與衰變暗物質模型以及穩定暗物質的蘭姆達冷暗物質模型進行比較。比較結果顯示衰變暗物質模型與觀測數據的一致性更高。不過,研究人員發現引力透鏡效應(引力場扭曲宇宙微波背景異塵餘生)極大地限制了模型中衰變暗物質的比例。

利用不同宇宙學效應的觀測數據,研究人員估算出暗物質衰變部分的相對濃度在2%到5%之間。特卡切尼指出:“這意味著當前宇宙的暗物質數量比複合時期少5%。目前,我們尚無法確定不穩定部分的衰變速度。即使到了今天,暗物質可能仍在瓦解,這需要我們創建一個截然不同且更為複雜的模型。”

翻譯: 牛樹軍

編輯: Hsu Hai-Chieh

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