【导语】

一项由明尼苏达大学双子城分校和巴黎萨克雷大学研究人员主导的研究显示，暗物质在宇宙大爆炸后早期阶段可能并非传统意义上的“冷”，而是以接近光速的极高速度存在，随后在星系和大尺度结构形成之前逐渐冷却。这一结果对长期占主导地位的冷暗物质假设提出了新的可能性。

暗物质“必须是冷的”假设遭遇挑战

数十年来，物理学界通常根据暗物质粒子的运动速度对其进行分类。其中，冷暗物质指的是运动速度较慢、易在引力作用下聚集的粒子，被认为是星系、星系团以及宇宙大尺度网状结构形成的关键要素。这一框架构成了当前标准宇宙学模型的重要基础。

明尼苏达大学研究生 Stephen Henrich 表示，人们对暗物质为数不多的共识之一，是它在宇宙结构形成时必须表现为“冷”的状态，因此过去约40年，大部分研究都假定暗物质自诞生起就是冷的。该团队的新研究则指出，暗物质在产生之初并不一定是冷的，而是可以在极高温、极高速度下诞生，并在宇宙演化过程中逐步冷却。

早期宇宙“再加热期”中的超相对论暗物质

研究聚焦于宇宙早期的一个关键阶段——再加热期。该阶段紧随宇宙暴胀之后：在暴胀结束时，驱动快速膨胀的能量被转化为高温的粒子和辐射，形成炽热的“粒子汤”。

研究结果显示，在特定条件下，再加热阶段产生的暗物质粒子可以以接近光速的速度诞生，处于所谓“超相对论”状态，并在与早期宇宙炽热等离子体脱耦后仍保持极高速度。尽管如此，这类暗物质在宇宙后续演化中仍有足够时间冷却，在星系和大尺度结构形成之前表现得与传统冷暗物质相似，从而与目前观测到的宇宙结构相符合。

巴黎萨克雷大学物理学家 Yann Mambrini 表示，通过这项工作，研究人员或许能够触及更接近大爆炸时刻的宇宙历史阶段，为暗物质起源提供新的线索。

从“热暗物质”到“看起来像冷暗物质”

在暗物质研究史上，低质量中微子曾被视为最简单的暗物质候选粒子之一。但明尼苏达大学教授 Keith Olive 指出，这一方案在40多年前已被排除，因为此类中微子会抹去星系尺度的结构，而不是促进其形成。中微子因此成为“热暗物质”的典型代表，而宇宙结构形成则被认为依赖于冷暗物质。

Olive 表示，令人意外的是，如果类似中微子的候选粒子是在炽热的大爆炸宇宙刚形成时产生，它们有可能在后续演化中冷却到足以在大尺度上表现为冷暗物质的程度。这一情形为暗物质粒子的可能性质和产生机制提供了更宽泛的参数空间。

对暗物质探测与理论研究的潜在影响

研究团队指出，如果这一图景成立，将对当前多种暗物质探测路径产生重要影响，包括利用粒子对撞机、地下实验装置以及天体物理观测等方式寻找暗物质信号。暗物质在早期宇宙中可能经历的“超相对论—冷却”过程，也为其基本性质及其在宇宙演化中的角色提出了新的理论问题。

相关成果已发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），论文题为《超相对论冻结：从WIMPs到FIMPs的桥梁》（Super-relativistic Freeze-in: A Bridge from WIMPs to FIMPs），作者为 Stephen E. Henrich 等，文献号为 Phys. Rev. Lett. 135, 221002，DOI：10.1103/zk9k-nbpj。