最新研究对冷暗物质假设提出挑战

该研究成果发表于美国物理学会旗舰期刊《物理评论快报》。通过重新审视暗物质在早期宇宙中可能如何产生，这项研究拓展了对暗物质来源及其与其他物质相互作用方式的可能解释范围。

挑战冷暗物质假设

数十年来，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出来时（这一过程称为“冻结”）必须是冷的。冷暗物质移动缓慢，这一特性曾被认为是形成星系和大尺度宇宙结构的关键。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被探索的阶段——“暴胀后再加热”时期。

在再加热期间，宇宙在暴胀结束后迅速充满了粒子。研究人员探究了暗物质如何可能在这个高能时期产生，以及这对它后续的行为意味着什么。

热暗物质曾被摒弃的原因

“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，因为它会抹去星系尺度的结构，而不是催生它们，”物理与天文学院的基思·奥利弗教授说。“中微子成了热暗物质的主要例子，而结构形成依赖于冷暗物质。令人惊奇的是，一个类似的候选者，如果正是在热大爆炸宇宙诞生时产生的，可能冷却到足以实际表现为冷暗物质。”

过去，像中微子这样快速移动的粒子曾被摒弃，因为它们的高速度会抹平原初宇宙中的物质分布，阻止星系形成。这使得冷暗物质在数十年间成为首选解释。

及时冷却以构建星系

这项新研究表明，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状态（即极度炽热）时与其他物质分离，并且在星系开始形成前仍有足够时间减速。其可行性直接与再加热过程相关，该过程为粒子在宇宙膨胀过程中冷却提供了足够时间。

“暗物质以难以捉摸著称。我们对其为数不多的认知之一是它需要是冷的，”论文第一作者、物理与天文学院研究生斯蒂芬·亨里希说。“因此，过去四十年间，大多数研究者认为暗物质在原初宇宙诞生时必须就是冷的。我们近期的结果表明事实并非如此；实际上，暗物质诞生时可以是炽热的，但在星系开始形成前仍有时间冷却下来。”

展望探测与早期宇宙

该团队计划在这些成果基础上，进一步探索此类暗物质粒子可能如何被探测到。可行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。

“凭借我们的新发现，我们或许能够触及非常接近大爆炸时期的宇宙历史阶段，”论文合著者、法国巴黎萨克雷大学的扬·曼布里尼教授说。

该研究得到了欧盟“地平线2020”研究与创新计划下玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里资助协议的支持。