“暗物質(zhì)”研究的兩個新假說。

暗物質(zhì)在宇宙中的分布。圖中是阿貝爾520星系團的核心區(qū)。藍色區(qū)域是星系團內(nèi)質(zhì)量最大的部分。這些質(zhì)量的大部分是由暗物質(zhì)提供的。

NASA / ESA / CFHT / CXO

有科學(xué)家提出了新假說，認為所謂的“暗物質(zhì)”可能而是由神秘“鏡像暗區(qū)”里的“暗重子”坍縮而成的微型黑洞，或是“宇宙視界”上某種霍金輻射產(chǎn)生的。

當前暗物質(zhì)的最佳候選者是所謂的“弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）”。但尋找這種粒子的努力無一不以失敗告終。而加州大學(xué)理論物理教授斯特凡諾·普羅夫莫（Stefano Profumo）新近創(chuàng)建的兩個模型，從極為不同的視角，對暗物質(zhì)之謎進行了審視。

普羅夫莫稱，長期以來人們一直視暗物質(zhì)為一種粒子，也竭盡全力尋找這種粒子，但始終一無所獲。他認為可能需要從更宏觀的層面來看待這個問題，或許我們思考這個問題的根本方法是錯誤的。

普羅夫莫在一篇論文中提出了“暗區(qū)（dark sector）”的概念，并認為這可能與暗物質(zhì)有關(guān)。所謂暗區(qū)并非指我們宇宙如何被暗物質(zhì)和暗能量主宰，而是認為宇宙中存在一個由我們無法體驗的力結(jié)合在一起的粒子組成的“鏡像世界”。

普羅夫莫認為，這一概念其實并沒有聽起來那么奇怪。構(gòu)成質(zhì)子和中子的夸克，是通過強互作用力結(jié)合在一起的。但是電子無法感知到強互作用力。在這里，強互作用力就是電子的暗區(qū)。此類現(xiàn)象在標準模型中很常見。

假說中的“暗重子”相當于暗區(qū)中的質(zhì)子和中子，但它們可能包含三個以上的夸克，因此質(zhì)量更大。暗重子的質(zhì)量可能會大到發(fā)生自我坍縮，變成微型黑洞。這些微型黑洞可能在宇宙中大量存在，共同構(gòu)成了我們所說的暗物質(zhì)。

黑洞周圍存在所謂的“視界”，視界內(nèi)部引力極強，連光也無法逃脫。然而，“視界”本身卻是“熱”的——量子效應(yīng)會導(dǎo)致其邊界處形成粒子對，一個落入黑洞，另一個逃逸到外部。這就是所謂的“霍金輻射”。

霍金輻射會緩慢消耗黑洞質(zhì)量。超大質(zhì)量黑洞需至少101??年才能蒸發(fā)完，遠超宇宙理論上的壽命；而普朗克尺度——亦即理論上最小的微型黑洞，則有可能在宇宙存續(xù)期間蒸發(fā)殆盡。

但是如果對暗重子黑洞的特性做作出一些界定，其霍金輻射就有可能在特定的條件下被抑制，它就能夠成為暗物質(zhì)的候選者。

此外普羅夫莫還提出了另一個基于霍金輻射的暗物質(zhì)理論，但角度迥異。

宇宙演化史和宇宙視界位置示意圖。發(fā)生在早期宇宙視界處的量子效應(yīng)可能制造出了暗物質(zhì)。

Stefano Profumo

由于我們的宇宙在加速膨脹，來自超過特定距離遠的宇宙的光永遠無法到達地球。這就形成了一個可稱為“宇宙視界（cosmic horizon）”的邊界，亦即可觀測宇宙邊界。宇宙視界外部可能存在著更多更大的宇宙，但我們卻永遠也無法看到。

讓我們回溯宇宙大爆炸的最初時刻。宇宙始于被稱為暴脹的擴張性能量爆發(fā)。暴脹只持續(xù)了極短的一瞬（遠不足一秒）。而部分理論模型認為，在這次暴脹之后還發(fā)生了第二次短暫的擴張性能量爆發(fā)。

普羅夫莫認為這是一次微型暴脹，其發(fā)生的方式可能與第一次暴脹結(jié)束的方式有關(guān)，也有可能就是以與第一次暴脹相同的方式發(fā)生的。

第二次暴脹創(chuàng)造了所謂的宇宙視界。

今天的可觀測宇宙直徑達930億光年（以地球為中心），且高度依賴觀測者——觀測者在宇宙不同區(qū)域會看到以自身為中心的不同可觀測宇宙?？捎^測宇宙的龐大身型同時也意味著宇宙視界處的溫度已經(jīng)變得極低——因為空間本身已經(jīng)極度擴展了。

但是在第二次暴脹期間，宇宙的體積依然很小，密度依然很高，視界處的溫度也依然極端熾熱。

普羅夫莫意識到，這些早期的宇宙視界，與黑洞的視界極為相似。它們就像是內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的黑洞——宇宙視界外部的一切與我們永遠失聯(lián)，就像是黑洞視界內(nèi)部的一切與我們永遠失聯(lián)一樣。

因此普羅夫莫認為，就像霍金輻射會在黑洞的視界處發(fā)生一樣，類似的現(xiàn)象也會在宇宙的視界處發(fā)生。而這種霍金輻射的能量可能會轉(zhuǎn)化為某種“暗物質(zhì)”粒子進入宇宙內(nèi)部。

這結(jié)論看上去可能有些草率，因為宇宙視界的位置取決于觀察者的位置。然而由于宇宙在最大的尺度上是均勻的，且具有各向同性——至少目前是普遍這么假設(shè)的，那么任何兩個觀察者無論身處宇宙的何處，理論上都會有數(shù)量相等的暗物質(zhì)出現(xiàn)在他們的視野里。這就好比宇宙是一個里外翻轉(zhuǎn)的黑洞，而每個觀測者就是這個黑洞的中心。

普羅夫莫表示，他并不認為暗物質(zhì)的真相就只有這兩種可能性。其提出兩個版本理論的目的，只是想表明研究暗物質(zhì)需要從盡可能宏觀的層面來進行，并在具體的探測中撒下盡可能大的網(wǎng)。

目前人類對暗物質(zhì)的唯一確定的認知，是它會通過引力影響這個世界。它很神秘，但是它卻主宰著宇宙。然而我們對它的了解卻一直停滯不前?；蛟S方向真的錯了？

參考 Dark baryon black holes https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.111.095010 Dark matter from quasi–de Sitter horizons https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/vmw2-4k77