燒開一壺水。坐下來聆聽氣泡膨脹、破裂和碰撞的聲音。恭喜，你剛剛做了一個模擬大爆炸的實驗。

　　當然，我這樣說是夸張了。不過呢，未來宇宙學家將通過與你類似的做法——通過“聆聽”宇宙尺度上的氣泡碰撞，來解決長期困擾他們的暗物質之謎。

　　我們迄今探測暗物質的努力

　　暗物質之謎差不多已經困惑天文學界一個世紀。天文學家之所以執拗地相信暗物質存在，是因為它解決了幾個天文學上令人頭疼的問題。比如，他們發現，星系團中星系相互繞行的速度遠比他們預料中的要快，這表明星系團中肯定還存在很大一部分未被探測到的物質，正是它們的引力提供了額外的向心力。同樣，單個星系邊緣的恒星也似乎旋轉過快，如果沒有額外物質的引力提供向心力，它們早該飛離出去。這些觀測表明，宇宙中存在著質量巨大的暗物質，是正常物質的5倍之多。但盡管如此，我們卻迄今未能識別出構成暗物質的粒子。

　　40年來，物理學家一直在為此建造精密的探測器。不管暗物質粒子是什么，地球在銀河系中移動的時候，總該會攔截到一些。這些實驗大多在尋找弱相互作用大質量粒子(簡稱WIMP)。除了通過引力相互作用外，這種假想的粒子還會感受到自然界中的四種基本作用力之一——弱核力。這意味著，如果存在WIMP，它們的行為就類似中微子，會與原子核相互作用，雖然概率很小。因此，物理學家用大桶大桶的液體做探測材料，希望能發現暗物質粒子與其中一個原子核碰撞的蛛絲馬跡，可是這種粒子一直沒有現身。

　　但在美國德克薩斯大學的凱瑟琳·弗瑞絲看來，我們至今未能發現這些粒子，這可能說明了暗物質的一個真相，即它跟正常物質根本就沒有弱核力作用，引力是它們之間的唯一聯系。這對物理學家來說不啻是一場噩夢，因為弱核力雖弱，畢竟還是比引力強好幾個量級，而單個粒子的引力弱到幾乎不可能被探測到。

　　作為宇宙相變的暗大爆炸

　　然而，弗瑞絲卻將此作為重新思考暗物質的理由：如果找不到暗物質，那么也許是該重新審視我們關于暗物質是如何產生的假設了，希望這能為我們了解暗物質提供新的視角。她說：“人們總是假設萬物都是在一次大爆炸中同時產生的，但誰又知道這是不是真的?”

　　2023年2月，弗瑞絲和她的同事提出，在正常的大爆炸(即產生正常物質的大爆炸)之后的幾周內，還發生了第二次大爆炸。他們稱其為“暗大爆炸”——因為這次大爆炸產生了暗物質。這聽起來可能很荒謬，但也并非毫無根據的胡亂猜測。

　　我們知道，宇宙大爆炸理論是在1960年代找到了決定性的證據——宇宙微波背景輻射(CMB)——之后，才被天文學家廣為接受的。隨后，為了解釋整個宇宙的CMB溫度為何如此均勻，物理學家又提出，在大爆炸之后不久，宇宙一度經歷了一場極度的膨脹，這被稱為“暴脹”。

　　宇宙暴脹實質上是一種相變，類似于水壺中水變成水蒸氣的轉變。物理學家后來意識到，在宇宙早期，相變可能不只發生了一次，而且也不只有暴脹這一種形式。舉例來說，從空無一物的時空能量場(希格斯場)中創造出有質量的基本粒子，這也是一種相變;再比如說，從統一場中分離出4種基本作用力(引力、強核力、弱核力和電磁力)，這也是一種相變。與此同時，人們提出了更多推測性的相變，來解釋暗能量等謎團。這些相變發生在不同的時間點，對應的不是同一個事件。

　　有鑒于此，弗瑞絲認為，暗物質也可能是在另一場相變中產生的。當然，如果聳人聽聞一下，也可以說發生了另一場大爆炸，即所謂的暗大爆炸。第一場大爆炸產生了正常物質，第二場大爆炸產生了暗物質。

　　暗大爆炸對暗物質的預言

　　弗瑞絲的計算表明，暗大爆炸至少會產生三種不同類型的暗物質粒子，它們的質量不一樣，而且都很怪異。

　　要產生質量最大的粒子，相變必須是突然的，這會產生膨脹的氣泡。當這些氣泡碰撞時，會釋放能量。這就像你在水壺開始沸騰時聽到的嘶嘶聲，成千上萬的小氣泡冒了出來。在這種暗大爆炸中，氣泡的能量非常高，有可能產生質量是質子質量10萬億倍的暗物質粒子。

　　另一方面，如果相變是漸進的，暗大爆炸就會產生較輕的粒子。第一種類似于WIMP。它們會與暗力(比如暗電磁力)相互作用，從而產生暗光子。第二種粒子聽起來有些可怕，它們在碰撞時會互相吞噬。

　　其實，這些都不是什么新鮮概念。但弗瑞絲等人提議的特別之處在于，他們的暗物質是非常“暗”的：除了引力之外，宇宙的明暗兩面沒有任何聯系。

　　至于引發暗大爆炸所需的能量來自哪里，目前還不清楚。但是，這有什么關系!引發正常大爆炸所需的能量來自哪里，我們不是也不清楚么?所以，這個猜測從表面上看，沒有任何問題，關鍵在于它是否可以檢驗。

　　如何驗證暗大爆炸

　　對這個問題，弗瑞絲的回答是肯定的。她說，與暗大爆炸相關的相變氣泡的碰撞會在時空中留下明顯的指紋——引力波。她甚至認為，我們可能已經看到了這些引力波，只是不知道它們的真實來源而已。

　　2016年，激光干涉儀引力波天文臺宣布首次探測到引力波。從那時起，我們又有100多次探測到引力波。每一次都可以追溯到兩個超高密度天體(比如黑洞和中子星)之間的碰撞。

　　但還有另一種引力波信號：一種類似背景的嗡嗡噪聲。2023年6月，北美引力波納米赫茲天文臺(NANOGrav)的天文學家探測到了這種引力波背景噪聲。信號太微弱，無法確定其來源。大多數人認為，它們可能是由許多無法單獨分辨出來的遙遠黑洞碰撞產生的。但暗大爆炸也是一種可能的替代解釋。至少根據現有數據，無法排除暗大爆炸的可能性。

　　NANOGrav的工作原理是測量引力波背景噪聲對脈沖星信號的微小干擾。如果噪聲對不同脈沖星的干擾是不一樣的，這將表明它們來自黑洞碰撞，因為發生碰撞的黑洞距離每顆脈沖星的遠近不同，所以干擾強度可以不一樣。但如果噪聲對每顆脈沖星的干擾是一樣大小的，這將表明，這些噪聲來自宇宙相變，因為只有發生在整個宇宙范圍的相變，才會對所有脈沖星一視同仁。

　　當然，如果是后一種情況的話，引力波背景噪聲可能是由許多不同的相變(包括暴脹)相互重疊而來的。這些相變必須加以分解，最后才能知道有沒有發生暗大爆炸。