新研究挑战冷暗物质假设

这项研究发表在美国物理学会的旗舰期刊《物理评论快报》上。通过重新审视暗物质在早期宇宙中如何出现，该研究扩展了关于暗物质来源及其如何与其他形式物质相互作用的可能解释范围。

挑战冷暗物质假设

几十年来，科学家们认为暗物质在从充满年轻宇宙的强烈辐射中分离时必须是冷的，这一过程被称为冻结。冷暗物质移动缓慢，这一特性被认为是形成星系和大尺度宇宙结构所必需的。为了重新审视这一假设，研究团队聚焦于宇宙历史中一个关键但较少探索的阶段，称为后通胀再加热。

在再加热期间，宇宙在宇宙膨胀结束后迅速充满粒子。研究人员研究了暗物质如何在这个高能时期产生，以及这对它后来的行为意味着什么。

为什么热暗物质曾被排斥

"最简单的暗物质候选者（低质量中微子）在40多年前就被排除了，因为它会抹去星系大小的结构而不是播种它们，"物理学和天文学学院教授基思·奥利夫说。"中微子成为热暗物质的主要例子，其中结构形成依赖于冷暗物质。令人惊讶的是，一个类似的候选者，如果正好在热大爆炸宇宙被创造时产生，可能冷却到实际上像冷暗物质一样行为。"

过去，像中微子这样的快速运动粒子被否定，因为它们的速度会平滑早期宇宙中的物质，阻止星系形成。这使得冷暗物质成为几十年来首选的解释。

及时冷却以构建星系

新研究表明，暗物质不一定需要一开始就是冷的。研究人员证明，暗物质粒子可以在仍处于超相对论性——或极热——状态下从其他物质中分离，并在星系开始形成前充分减速。这之所以可行，直接与再加热有关，它为粒子在宇宙膨胀过程中冷却提供了足够时间。

"暗物质是出了名的神秘。我们对其了解的少数事情之一是它需要是冷的，"物理学和天文学学院研究生、论文第一作者斯蒂芬·亨里希说。"因此，过去四十年里，大多数研究人员认为暗物质在原始宇宙中诞生时必须是冷的。我们最近的结果表明情况并非如此；事实上，暗物质出生时可以是红热的，但仍有时间在星系开始形成前冷却下来。"

展望探测和早期宇宙

团队计划在这些结果的基础上，探索如何探测这种暗物质粒子。可能的方法包括使用粒子对撞机或散射实验进行直接搜索，以及通过天文观测进行间接探测。

"有了我们的新发现，我们可能能够接近大爆炸时期的宇宙历史，"法国巴黎-萨克雷大学教授、论文合著者扬·曼布里尼说。

这项研究得到了欧盟地平线2020研究与创新计划在玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里资助协议下的资金支持。