最近的研究表明，早期宇宙中简单形式的物质可能可以通过引力波探测到，这也可以解释暗物质的性质。这些发现为探测引力波和确定暗物质成分提供了潜在的突破。

引力波是爱因斯坦近一个世纪前预言的时空涟漪，2015 年首次被探测到。加州大学河滨分校物理学和天文学副教授崔彦鸥领导的一项新研究表明，非常简单的物质形式可能在宇宙大爆炸后不久就会产生可探测到的引力波背景。

"这种产生可探测引力波背景的机制可能会揭示脉冲星定时天文台最近捕捉到的令人费解的引力波信号，"崔说。"另一个令人兴奋的含义是，同样形式的物质可能被确定为暗物质，这种神秘物质被认为构成了宇宙的大部分质量，几十年来一直困惑着科学家。"

这项发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的研究为利用最大的实验室--宇宙本身--揭示新的基础物理学铺平了道路。在下面的问答中，崔彦鸥回答了有关这项研究的几个问题：

这些非常简单的物质形式是什么？

物质的简单形式是一种超轻标量场物质。标量意味着这种物质没有内部旋转（自旋），它类似于希格斯玻色子。这些形式的物质非常轻，每种物质的质量只有电子质量的百万分之一甚至十亿分之一。由于质量非常小，它们的行为更像是波，而不是粒子，它们渗透到宇宙中。

引力波需要有足够高的强度，类似于电磁波，目前的实验才能足够灵敏地捕捉到它们。此外，引力波必须处于这些实验敏感的频段内；到目前为止，由于技术限制，只能探测到特定范围的引力波频率。

这些简单的物质形式会在宇宙大爆炸后不久产生可探测到的引力波辐射背景，而其他时间则不会？

是的，引力波产生于宇宙膨胀率大约为标量场质量的时代。过了这一阶段，引力波就会停止，因为粒子的产生会在某一时刻被内部机制关闭。大爆炸后不久（几分之一秒）天体物理源（如激光干涉引力波天文台观测到的黑洞合并）可能就会产生引力波。

为什么直到现在才知道这些简单的物质形式？

除了超弱引力相互作用之外，它们不会与已知物质发生其他作用。我们展示的引力波信号就是探测它们的方法。但如果它们是暗物质，我们已经从暗物质的一般证据中知道了它们。同样，由于它们只与可见物质发生引力作用，而引力作用非常微弱，所以我们以前对它们了解不多。

把这种简单形式的物质确定为暗物质会令人兴奋。这是因为我们终于知道暗物质是由什么构成的吗？

是的，这是亮点之一。但同时，产生可探测到的引力波也是非常不简单的，我们发现一种简单形式的物质，可能是暗物质，可以产生这种引力波--这是一项重大的理论成就。此外，如前所述，去年令人费解的脉冲星时间发现也可以用这一机制来解释。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.021004