在现如今的宇宙学中，暗物质通常认为是在大爆炸伊始随着普通物质一起诞生的。然而，这种假设除了简单以外，似乎没有什么证据可以证明它。2023 年 4 月，一篇发表在《物理评论 D》上的文章表示，暗物质可能并不来源于当初的大爆炸，或许我们的宇宙还经历了第二次大爆炸 —— 暗物质大爆炸。
在讲具体的内容之前，我觉得有必要先说两句。每当说到暗物质，总会有人表示不屑：“什么暗物质，不就是新的以太嘛！这玩意儿也许根本就不存在！”
虽然“暗物质”目前仍然是一种假说，但是它的提出确实可以解释一些仅凭现有理论无法解释的事情：比如星系的旋转曲线问题、宇宙微波背景的波动问题，还有各种各样的引力透镜现象等等。
可以说，暗物质存不存在其实并不重要，重要的是我们要有一套行之有效能够解释现象的理论。那怕是“修正牛顿动力学（MOND）”这种对引力理论进行修改的方式，也是可以的，只要能解决问题就行。而就目前来说，引入暗物质（尤其是运动缓慢的冷暗物质）是现阶段能够解释那些异常现象最好用的方式，没有之一。
现在的问题在于，虽然我们假设暗物质存在，但是我们并不清楚它究竟是什么。目前已知的所有普通物质，我们都能在粒子物理中找到其对应的基本粒子。但是暗物质呢，我们不仅找不到合适的粒子，对它的性质（除了引力）我们也是全靠猜测，包括它的起源问题。
相较于研究宇宙如何演化的标准大爆炸模型，大爆炸核合成理论是专门研究宇宙中的物质是如何起源的。比如各种粒子是什么时候出现的；氢氦这种轻元素是如何一步步形成的等等。但是相对于普通物质，现如今对暗物质的起源不能说一无所知吧，但也是一知半解。
通常认为，暗物质的出现应该是在暴胀时期到背景辐射（也就是之前说的最后散射面）出现前的这段时间。这是一段以“万年”来计的时间跨度，虽然相较于整个宇宙演化来说“万年”只是很短的“一瞬间”，但是要知道，目前我们对普通物质起源的描述是可以精确到“分钟”甚至是“秒”级的。没错，就是大爆炸后多少分钟发生了什么，多少多少秒发生了什么。
很多人觉得这种说法很扯，但不可否认，这些结论在如今的高能实验中我们多少还是能找到些线索的，包括天文观测上的证据也能提供相应的支持。
然而面对暗物质时，除了引力，实验上至今没有特别靠谱的证据出现。不过这也正常，谁让现在物理学，理论早就把实验甩开了几条街了。以前都是先发现个现象，然后再去找理论解释。但现在更多的是，先整一堆理论出来，然后再通过实验找出其中最合适的那个。注意：这里我用的是“最合适”而不是“最正确”。
先有理论支持，理论给实验指个方向，然后再去做实验验证。这个逻辑无可厚非，不然面对一些虚无缥缈的东西，只能像个无头苍蝇一样四处乱撞。对于暗物质的起源问题，自然也是这个情况。
通常认为，暗物质是与所有的普通物质（包括辐射）一同诞生于大爆炸初期。甚至有些人认为，暗物质比普通物质出现的还早，早在连夸克这种粒子都还没有出现的时候，暗物质粒子或许就已经遍布于宇宙的各个角落了。虽然这些只是假设，没有什么过硬的证据，但是至少有一点，大家都表示认可，就是前面说的：暗物质应该出现在暴胀时期到宇宙微波背景出现前的这段时间内，这点也正是暗物质存在的有力证据之一。
为什么呢？因为如果没有暗物质，天体（尤其是星系、星系团这种大尺度天体）它们全靠普通物质自己聚集起来，可以说几乎不可能。
之前在“创世遗迹”那期里说过，在背景辐射出现前，光子和物质是耦合的，那时候的光子会阻止物质聚集。只有到了光子脱耦之后（也就是跑出去成了背景辐射后），这时候物质才能够开始相互聚集。但是与此同时宇宙可没闲着，它一直在疯狂膨胀。经过了 38 万年，这时候的宇宙已经不再是颗“受精卵”，不说成年吧，至少也算是“满月”了。这个时候的普通物质如果仍靠一己之力来聚集，那就很难了，138 亿年肯定不够。真要长成今天这模样，宇宙可能要花上千万亿年的时间，甚至于根本就不可能演化成今天这样子。
面对早晚都不行的两难情况，暗物质表示：“还得我来！”
由于暗物质不参与电磁相互作用，所以它可以不像普通物质那样被早期的光子束缚，它们完全可以凭借自身引力早早就开始聚集。而且那个时候的宇宙还不大，加上暗物质总量也比普通物质要多，因此聚集起来就相对比较容易。于是乎，你膨胀你的，我聚集我的。等到光子退耦的时候，这些暗物质就已经聚集得差不多了。有了暗物质这个框架，之后普通物质再聚集起来就没那么难了。这也是为什么说暗物质决定了今天宇宙的质量分布，包括为什么说大部分星系都含有暗物质。
在此基础上，最近有科学家提出了一个大胆的猜测，就是暗物质虽然诞生于光子退耦之前，但是它的出现可能比想象的要晚。研究人员认为，暗物质的形成或许是个独立于普通物质的单独事件，甚至于出现它的时候，宇宙中氢、氦这些元素的原子核都已经形成了。
在这个理论中，原本的宇宙空无一物，有的只是真空且势能很高，你也可以叫它“假真空”。随着大爆炸，假真空的势能得以释放并形成了真真空，同时这些能量逐渐转化成了普通物质。但是在这片假真空中存在着一部分特殊的区域，它们被称为“暗区”。这些暗区没有随着当初的大爆炸一起衰变成真真空，而是在那之后独自发生了相变。
当真空发生相变时，它会从一个点向四面八方扩散开，看起来就像一个膨胀的气泡。暗区的相变使得宇宙中出现了许许多多这样的“气泡”。随着假真空的能量转变为“气泡壁”的动能，这些气泡开始变得越来越大。于是，不可避免地一些气泡发生了碰撞，暗物质粒子便是在这些碰撞中形成的。
随着越来越多的碰撞发生，暗物质被大量地制造出来。如果产生普通物质的相变是第一次大爆炸的话，那么后来产生暗物质的这次相变则可以看做是第二次大爆炸，研究人员称其为“暗物质大爆炸”或者“暗大爆炸”。
经历了暗物质大爆炸后，宇宙中的暗物质粒子越来越多，当密度高到一定程度时，它们之间会相互碰撞从而发生湮灭。湮灭反应的存在使得暗物质粒子的数目不至于失控：粒子多了湮灭就频繁，于是粒子数量就得到了削减。这个过程直到宇宙的膨胀速率超过了暗物质湮灭速率后才结束，之后暗物质的总量才算是固定了下来，不再变化。于此同时呢，这些生成的暗物质相互聚集，慢慢地搭建出了今天宇宙中物质分布的整体框架。
理论虽是如此，如何寻找证据呢？
由于暗物质粒子不参与电磁相互作用，所以常规的探测手段都不好用。目前更多是通过一些间接方式来探测，比如通过寻找暗物质湮灭后产生的特殊粒子，中国的“悟空号”利用的就是这种方式。
然而如今的暗物质已经相对稀疏，加上不参与电磁作用，所以它不能像普通物质那样形成恒星、行星这样的高密度天体。或许也是因为这个，直到今天我们也没能捕捉到暗物质湮灭产生的粒子。
不过今天这个理论，它给出的是另一种探测方式 —— 引力波。暗大爆炸的空间相变会产生特殊的引力波，只是这些引力波随着空间的膨胀，波长已经被拉得极为夸张，至少要以光年来计，这已经远远超出了 LIGO 这样的引力波探测器的能力范围。
面对这种超低频、诞生于宇宙早期的原初引力波，我们该如何探测呢？还记得我们之前介绍过的脉冲星计时阵列（PTA）吗？通过将多颗脉冲星组成计时阵列，从而构造一个光年尺度的、极为敏感的引力波探测器。通过这种探测器，我们就具有了捕捉低至 nHz 频率引力波的能力。
看到没，“只要思想不滑坡，办法总比困难多。”希望未来我们能够尽早揭开暗物质的面纱，以帮助我们更进一步地探寻宇宙的奥秘。
参考资料：
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_nucleosynthesis
[3] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.107.083522
[4] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.061302
本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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