新理论认为，暗物质由快速粒子减速并变重而形成

研究人员在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上报告称，根据他们的数学模型，暗物质可能形成于宇宙早期，由高能无质量粒子碰撞产生——这些粒子在配对后立即失去能量并获得了惊人的质量。

虽然属于假说，但基于可见物质无法解释的引力效应观测，暗物质被认为存在。科学家估计宇宙总质量的85%是暗物质。

但该研究作者指出，他们的理论具有独特性，因为它可以利用现有观测数据进行验证。他们认为组成暗物质的极低能粒子会在宇宙微波背景辐射（CMB）上留下独特印记——CMB是充斥整个宇宙的大爆炸遗留辐射。

"暗物质起初是近乎无质量的相对论性粒子，几乎如同光一般，"物理学和天文学教授、该论文资深作者罗伯特·卡德维尔（Robert Caldwell）表示。

"这与暗物质的传统认知完全相悖——传统认为它是赋予星系质量的冷团块，"卡德维尔说，"我们的理论试图解释它如何从'光态'转变为'团块态'。"

在137亿年前科学家认为引发宇宙膨胀的大爆炸之后，炽热高速运动的粒子主导着宇宙。这些粒子类似于光子（光的无质量基本能量粒子/量子）。

卡德维尔与研究第一作者、达特茅斯学院大四学生梁冠明（Guanming Liang）认为：正是在这种混沌中，极大量的这些粒子相互结合。

他们提出理论：这些无质量粒子因其自旋方向相反而被拉拽在一起，如同磁铁南北极之间的吸引力。

卡德维尔和梁冠明表示，随着粒子冷却，自旋失衡导致其能量骤降，如同蒸汽急速冷凝成水。其结果是形成了科学家认为构成暗物质的冷重型粒子。

"我们数学模型最出人意料的部分是连接高密度能量与团块状低能量的能量骤降阶段，"梁冠明说。

"在那个阶段，这些粒子对仿佛正准备蜕变成暗物质，"卡德维尔解释道，"这种相变有助于解释当今可探测到的暗物质丰度。它源自早期宇宙中极高密度的极端高能粒子团簇。"

该研究提出了一种可能引发暗物质转变的理论粒子。但卡德维尔和梁冠明指出，科学家已知被称为电子的亚原子粒子也能经历类似转变。

在低温下，两个电子可形成"库珀对"，实现零电阻导电，这是某些超导体中的活性机制。卡德维尔和梁冠明以库珀对的存在为证，表明其理论中的无质量粒子完全有能力凝聚成暗物质。

"我们借鉴超导性来探究特定相互作用是否会导致能量如此骤降，"卡德维尔说，"库珀对证明了该机制的存在。"

梁冠明指出，这些粒子从宇宙尺度的"双份浓缩咖啡"蜕变为"隔夜燕麦粥"的过程，解释了当前宇宙能量密度相较早期宇宙的巨大赤字。科学家已知随着宇宙能量向外膨胀，密度自大爆炸后持续衰减。但梁冠明和卡德维尔的理论也解释了质量密度的增加。

"天体结构因其冷暗物质密度而获得质量，但同时必须存在使能量密度降至接近当今观测值的机制，"梁冠明强调。

"我们理论的数学模型非常优美，因其相当简洁——无需在系统中添加过多元素即可运作，"他表示，"它建立在已知存在的概念和时间线上。"

他们的理论表明，粒子对在变慢变重时进入了寒冷且几乎无压的状态。这一特性会使它们在CMB上显现异常。目前智利西蒙斯天文台及CMB-S4等实验项目正重点研究已被多个大型观测项目深入分析的CMB。

研究人员表示，这些项目现有及未来的数据可用于验证卡德维尔和梁冠明的理论。

"这令人兴奋，"卡德维尔说，"我们提出了思考并可能识别暗物质的新途径。"