《自然》雜誌：暗物質或攜帶微量電荷，從而能不斷冷卻我們的宇宙

暗物質是一種預言中的物質，不與光或其他電磁波發生任何相互作用，僅僅通過引力影響我們的宇宙，所以暗物質是無法被直接觀測到的。但一項最新的研究卻認為，暗物質可能攜帶著極微量的電荷，從而可以通過電磁力與正常的物質相互作用，冷卻宇宙中的氫原子。這項研究發表於5月31日的《自然》雜誌。

難以觀測到的大部分宇宙質量：暗物質

暗物質是一類被物理學家所預言的神奇物質：在我們觀測到的宇宙中，各種大小星系的物質質量遠遠不足以維持其進行如此高速的運轉，所以科學家們不得不重新審視我們的宇宙，來解釋這些遠大於可見物質引力所能提供的向心力是到底哪裡來的。於是物理學家們認為，空間中存在著一種不與光或其他電磁波發生相互作用的神奇物質——暗物質，所以它們無法被直接觀測到，而正是這些暗物質提供了星系運轉所需的額外引力。

據測算，宇宙中的大部分質量都來自於暗物質和暗能量，可見的正常物質僅占宇宙質量的四分之一左右。

但最近有科學家提出了一種新觀點：一小部分的暗物質粒子或許具備著極其微量的電荷。這個想法可能不僅讓我們對暗物質的了解更進了一步，還可能解釋一個最近讓宇宙學家們難以處理的謎團。

早期宇宙的氫原子比預想的要冷

今年2月份，天文學家們宣布首次探測到了宇宙中「第一顆恆星」的「餘輝」。這是在宇宙大爆炸後的1億8000萬年後，第一批恆星開始發光時遺留下的重要信息。由於星際之間的氫原子比大爆炸殘留的宇宙微波背景輻射要冷得多，導致它們可以吸收微波背景輻射，尤其是波長在20厘米處的輻射波。這就對宇宙的微波背景輻射留下了難以磨滅的「印記」。通過測量氫原子對微波背景輻射的吸收，可以使天文學家們更好的理解宇宙第一批恆星誕生時的情況。

「這本身是一個驚人的科學發現」，論文的作者之一，哈佛大學物理系的科學家朱利安·穆諾茲（Julian B. Mu?oz）說到。但他表示，氫離子對於輻射的吸收量比預期的多了兩倍——這就意味著，這些氫原子比科學家們之前估計的要冷得多。

可能是帶電的暗物質冷卻了早期宇宙的氫原子

穆諾茲和合作者亞伯拉罕·羅伯（Abraham Loeb）提出，暗物質可能是造成這種異常冷卻的罪魁禍首。根據他們在論文中的計算，要有不到1%的暗物質粒子具有百萬分之一的電子電量，那麼這種神秘的粒子就可以與氫原子發生足夠的相互作用——從氫那裡吸收熱量，就像冰塊給可樂降溫的過程一樣。

類似的想法其實並是第一次提出。幾十年前，就已經有物理學家提出暗物質粒子可以攜帶電荷。

幾十個想法

必須指出，這並非對異常冷卻的唯一解釋。在一篇發表於今年3月份的《自然》雜誌文章中，以色列拉維夫大學的宇宙學家任南·巴卡納（Rennan Barkana）提出了一種更普遍的暗物質形式。在這個模型中，暗物質不一定有電荷，卻依然可以冷卻正常的物質，並且這個模型能對上述觀測到的宇宙第一批恆星遺留的光譜做出解釋。

但更有趣的是，科學家們對於上述氫原子的異常冷卻現象，已經提出了幾十種解釋，這其中包括微波背景輻射可能比預想的更強，或是測量中存在一些問題等等。

「如果測量結果是正確的，我認為沒有任何傳統的解釋可以令人信服」，加利福尼亞大學的天體物理學家史蒂芬·弗蘭內托（Steven Furlanetto）說道，他沒有參與這項研究。「你真的需要多審視這些不標準的物理情形，在這種情況下，我認為理論的開放性非常強。」

穆諾茲則肯定偏向於自己提出的暗物質解釋。「如果測量結果確實是正確的，那似乎很難不是暗物質的結果」，他說。

所幸，世界各地都已經開始組建儀器對早期宇宙進行更詳細的觀測。其中的一些實驗，比如正在南非組建的一台名為「重電離陣列氫紀元（Hydrogen Epoch of Reionization Array）」的射電望遠鏡，就可以測量氫原子對於宇宙微波背景輻射的更詳細的吸收模式。一旦有實驗結果出來，就可以判斷穆諾茲等人的觀點是否正確了。

圖註：正在南非組建的「重電離陣列氫紀元」射電望遠鏡

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