“费米球”构成的暗物质是在大爆炸中锻造的吗？费米球的制作方法

　　暗物质——一种施加引力但不与光相互作用的神秘物质，可能由遍布宇宙的微小黑洞组成。根据一项新理论，这些黑洞可能是由费米球或称为费米子的亚原子粒子的量子“袋子”构成的，这些粒子在宇宙初期就被挤在一起形成致密的袋子。

　　该理论可以解释为什么暗物质会主宰宇宙。

　　“我们发现，在某些情况下，费米球非常密集，以至于费米子彼此靠得太近，从而引发了费米球坍塌成黑洞。”该中心的研究员 Ke-Pan Xie韩国首尔国立大学理论物理学博士告诉 Live Science。

　　Xie 和合作者 Kiyoharu Kawana（同样来自理论物理中心）设计了一个新场景来解释暗物质如何主宰宇宙：在宇宙不到一秒钟的时间里发生了令人难以置信的转变，一种新的物质的粒子被困住，坍缩到如此小的点，以至于它们变成了黑洞。这些黑洞随后淹没了宇宙，提供了解释暗物质所需的分量。

　　天文学家和物理学家无法解释暗物质，这种神秘物质占宇宙中从星系到宇宙网本身的每个大型结构质量的 80％ 以上。

　　一种有趣的可能性是暗物质起源于黑洞。毕竟，黑洞和暗物质一样，不发光。“作为一种不发光且致密的物体，黑洞是暗物质的自然解释。”Xie说。

　　但天文学家早就知道，正常的、恒星质量的黑洞无法解释宇宙的暗物质。那是因为在宇宙历史中形成的恒星还不够多，不足以产生足够的黑洞来解释已知的暗物质。

　　但宇宙最早的时刻有一些令人难以置信的物理学。也许当时发生的一切都催生了数万亿个较小的黑洞。这些黑洞可能会持续到今天，有可能解开暗物质之谜。

　　但要解释暗物质，该理论必须制造足够多的黑洞。

　　Xie 和 Kawana 在他们的模型中添加了几种成分，这在 6 月份发表在预印数据库arXiv 上的一篇论文中有所描述。（这篇论文还没有经过同行评审。）他们从一个非常年轻、非常炎热、非常密集的宇宙开始。这些极端条件允许一些在当今宇宙的正常条件下不会发生的物理过程。

　　第一个成分是称为标量场的东西，它是一种包含所有空间的量子力学实体。（众所周知的赋予物质质量的希格斯场就是一个例子。）随着宇宙的膨胀和冷却，标量场经历了一个相变，从一种量子力学状态转变为另一种量子力学状态。

　　“在整个宇宙中，这种相变并不是一下子发生的。取而代之的是，有几个点是转变开始然后蔓延的地方——就像一锅沸水中的几个气泡合并形成更大的气泡一样。”Xie说。

　　“这个过程被称为一级相变：水从‘液相’转变为‘气相’，后者首先以不断增长的气泡形式存在。”Xie说。

　　新的标量场状态，称为“基态”，从这些点像一堆嘶嘶作响的气泡一样扩散开来。最终，气泡完全合并，标量场完成过渡。

　　费米球的制作方法

　　然而，为了制造暗物质种子的原始黑洞，谢和川奈需要另一种成分。所以他们在他们的模型中添加了一种新的费米子。费米子是构成宇宙基石的一类粒子。例如，构成你体内原子的电子、质子和中子都是费米子。

　　在非常早期的宇宙中，这些费米子在标量场内自由移动。但根据谢和川奈编造的配方，随着相变的进行，这些费米子无法穿透宇宙新基态的小泡沫。

　　随着气泡的增长，费米子挤进了剩下的口袋里，变成了费米球。就在那时，事情对他们来说真的很混乱。

　　“这是因为费米子之间存在一种额外的力，称为汤川相互作用，由同一个标量场引起。”Xie和川奈在论文中提出。正常情况下，费米子不喜欢挤在一起形成小体积，但他们推测，标量场增加了一种吸引力，可以压倒这种自然排斥。

　　例如，质子和中子由更小的粒子组成，称为夸克。夸克是费米子，通常彼此憎恨，但有一种额外的力，即强力，将它们粘合在一起。这种力可以建模为汤川相互作用，类似于谢和川奈模型中发挥作用的早期宇宙物理学。

　　根据谢和川奈的理论，一旦汤川吸引力占据上风，小费米球的游戏就结束了。费米子团块被夹在瞬息万变的宇宙中，灾难性地坍塌，形成了大量的黑洞。

　　这些黑洞然后在相变结束时幸存下来，继续作为暗物质充斥整个宇宙。

　　至少，这是一个想法。这是一个激进的建议，但当谈到早期宇宙的物理学——以及围绕暗物质的奥秘时——我们需要一些激进的建议，以及健康的观察，才能取得进展。