暗物质是冷、暖还是热的？
FUTURE | 远见 闵青云 选编
关于暗物质可能的候选者，有被称为 MACHO 的行星大小的物体到像 WIMP （相互作用微弱的重粒子）这样的单个粒子，也有更小的东西，比如轴子和惰性中微子。
在 1980 年代，科学家想出了一种方法来理解这个不断增长的集合：他们开始将暗物质粒子分类为冷、暖或热。这些分类是基于每种暗物质在早期宇宙中传播的速度，速度取决于它的质量，以及它出现时周围环境的温度。
轻快的粒子被称为热暗物质。重、慢的是冷暗物质；温暖的暗物质介于两者之间。
从这个角度来看，WIMP 是冷的，惰性中微子是暖的，而早期宇宙的残余中微子是热的。（轴子是一个特例——既轻又极冷。）
为什么他们的速度如此重要？
Abazajian 说「如果一个暗物质粒子更轻更快，它可以在给定的时间内传播得更远，并且它会抹平沿途已经存在的任何结构。 」
另一方面，更慢、更冷的暗物质形式将有助于构建结构，根据我们今天所知道和看到的，它一定是混合体的一部分。
芝加哥 Sandbox Studio 与 Corinne Mucha 的插图
建造星系
每种暗物质候选者何时形成以及如何形成的理论不确定，但科学家们唯一确定的是，暗物质在大爆炸大约 75,000 年后形成。斯坦福大学理论物理学家彼得格雷厄姆说，那时物质开始主导辐射，结构的小种子开始形成。
大多数类型的暗物质粒子都是由早期宇宙炽热稠密的汤中其他粒子之间的碰撞产生的，这与大型强子对撞机等地方的高能粒子碰撞产生奇异的新粒子的方式大致相同。粒子的类型随着宇宙膨胀和冷却，暗物质粒子最终会变得热、暖或冷。
Abazajian 说，科学家将它们描述为在宇宙中自由「流动」，尽管这个词有点误导，与漂浮在河上的树叶以协调的方式朝着同一个方向不同，「他们无处不在，朝各个方向前进，这些东西不仅在一个地方，也在另一个地方。」
当它流动时，每种类型的暗物质都会对沿途结构的生长产生独特的影响——要么增加它的团块，从而增加星系的建造，要么阻碍它们的生长。
冷暗物质，如 WIMP，本来是一个团块建造者。它移动得足够慢，以致聚集在一起并形成引力井，捕获附近的物质。
另一方面，热暗物质会更平滑，且快速移动，以至于它可以忽略那些引力井。意大利博洛尼亚大学的理论物理学家 Silvia Pascoli 说，如果所有暗物质都是热的，那么这些种子都不会长成更大的结构。这就是为什么科学家现在认为热的暗物质粒子，例如宇宙早期的残余中微子，只能构成一个整体的暗物质。
Pascoli 补充说，尽管它们的贡献很小，「我说这些残留的中微子是目前唯一已知的暗物质成分。它们对宇宙的演化有着重要的影响。」
你可能认为温暖的暗物质是最好的暗物质，用恰到好处的结构填充宇宙。惰性中微子被认为是这一类别的最佳候选者，理论上它们确实可以构成绝大多数的暗物质。
Abazajian 说，他在研究生期间研究了早期宇宙中特定类型的中微子振荡如何产生惰性中微子暗物质。
他说，尽管今天可能会发生同样的振荡，但常规中微子通过空间真空中的标准振荡变成惰性中微子的可能性被认为非常小，估计值从十万分之一到百分之一不等。
「你必须有一个非常好的计数机制来计算探测器中多达 100 万亿次的命中，而不会错过来自惰性中微子的一次命中，」Abazajian 说。
也就是说，有一些实验正在尝试使用不依赖直接命中的新方法。
然后是轴子。
格雷厄姆说，与其他暗物质候选物不同，轴子非常轻，轻到可以将它们描述为波，其相关场可以传播数公里，而且非常冷。它们与其他形式的物质的耦合非常弱，以至于早期宇宙热浴中粒子的疯狂碰撞几乎不会产生任何碰撞。
「它们的产生方式与其他暗物质候选者不同，」格雷厄姆说。「尽管当时宇宙很热，但轴子在诞生时会很冷，并且会永远保持寒冷，这意味着它们绝对是冷暗物质。」
格雷厄姆说，尽管轴子很轻，「因为它们存在于接近绝对零的温度，即所有运动停止的温度，它们基本上不移动。它们有点像幽灵般的液体，其他一切都在流动。」
芝加哥 Sandbox Studio 与 Corinne Mucha 的插图
寻找各种暗物质
一些科学家认为，需要不止一种暗物质，才能解释我们在宇宙中看到的所有事物。
在过去的几年里，随着探测 WIMPs 并通过大型强子对撞机碰撞产生暗物质粒子的实验迄今为止一无所获，于是对暗物质的搜索范围扩大了。
加州大学欧文分校的实验家 Simona Murgia 在美国能源部 SLAC 国家加速器实验室做博士后期间，带领一个团队使用费米伽玛射线太空望远镜寻找WIMP 与其反粒子之间碰撞的迹象。
现在，她加入了一个国际科学家团队，该团队将使用 SLAC 正在建造的世界上最大的数码相机，对智利维拉·C·鲁宾天文台的南方天空进行大规模调查。这项调查要做的一件事是通过观察暗物质如何弯曲星系的光，更好地处理宇宙中暗物质的分布。
「它将以完全不同的方式告诉我们一些关于暗物质本质的事情，」穆尔吉亚说。「它的分布越多，它就越符合暗物质是冷的理论。」
预计该相机将在 10 年内拍摄约200 亿个星系的图像，科学家们希望从这些图像中推断出形成它们的暗物质的基本性质。
「我们不仅想知道暗物质在那里，」Murgia说。「我们确实想了解宇宙学，但我们也很想知道暗物质是什么。」
文 Glennda Chui
原文链接：
https://www.symmetrymagazine.org/article/is-dark-matter-cold-warm-or-hot
End