热退耦:暗物质可能是从普通物质“自我增殖”而来

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北京时间 12 月 7 日消息，据国外媒体报道，暗物质是宇宙中最古怪的物质之一，并且其古怪程度也许远超我们的想象。

科学家发现，这种神秘且隐形的物质可以通过将普通物质转化成暗物质实现增殖。这种增殖方式又叫指数级增长。根据此前在《自然》期刊上发表的研究，这种现象在自然界中十分常见，菌落生长就是一个典型的例子。

自瑞士传奇天文学家弗里茨・兹威基 1933 年首次在论文中描述以来，暗物质便一直是一个宇宙难题。宇宙中可以看见的物体均由普通物质构成，例如地球、恒星、树木、人类等等，而暗物质就是这些普通物质的“卵生兄弟”，只是看不见、摸不着。科学家还不确定暗物质由什么组成，也不清楚它们是如何形成的，只知道这些神秘物质约占宇宙物质总量的 85%。

但如果暗物质无法与光线发生相互作用，科学家看不见它们，他们又是如何确定暗物质无处不在的呢。事实上，暗物质是通过对其它天体的引力作用暴露自己的存在的。例如，NASA 的研究人员此前发现，一些星团的真实引力远大于根据其中可见物质测算出的引力，假如暗物质不存在的话，这些观测结果根本讲不通。

而此次研究人员提出的新机制认为，暗物质来自普通物质。之前一种名叫“热退耦”（freeze-out）的主流机制认为，暗物质是在早期宇宙中形成的，当时所有粒子都在这锅稠密、炽热的“汤”中撞来撞去。该理论认为，大多数粒子开始时都是暗物质，但一旦与其它普通物质接触，就会立即被摧毁，这种现象叫做“湮灭”。而将这种反应倒过来，就可以让暗物质将早期宇宙中大量存在的普通物质取而代之，这一机制名为“冷冻耦合”（freeze-in）。

该研究主要作者将冷冻耦合机制推演到了最极端的一种情况。他们提出，最开始时，宇宙中普通物质的量远多于暗物质，但这种情况很快发生了变化。研究人员推测，当一个暗物质粒子接触其它粒子时，就会湮灭成另一种粒子，同时释放出两个暗物质粒子。这与其它基本粒子（比如正电子和电子）湮灭时产生两个质子的原理十分相似。但与冷冻耦合不同的是，按照这一模型，暗物质可以实现指数级增长。这是一种全然不同的机制，假如事实果真如此，暗物质与普通物质高达 6 比 1 的比例便可得到解释了。

但如果暗物质可以将其它所有物质都转化为暗物质，这是否意味着整个宇宙最终都将变成一团巨大的暗物质呢？

不一定。如果这一过程长期持续下去，宇宙中的暗物质将比如今多得多。此次提出的新机制只在极端高温下可行。随着宇宙逐渐冷却，该反应也会随之停止，暗物质的量也就此锁定。

不过，此次新提出的指数级增长模型只是解释暗物质的众多机制之一，就目前而言，关于暗物质的问题远比答案多。