到達地球得每一個光子背后，都有一個黑影？

一個包含大量暗物質(zhì)（紫色區(qū)域）得星系團。NASA

觀測結(jié)果顯示，我們宇宙星系之間得氣體——亦即所謂星系際氣體得溫度比理論值高出了那么一點。天體物理學家通過計算機模擬對這個異常得宇宙“低燒”現(xiàn)象作出了解釋：他們認為，這是因為宇宙中存在一種奇特得“暗光子（dark photons）”。

根據(jù)假說，“暗光子”是暗物質(zhì)得一種形態(tài)，它們承載著宇宙間得第五種基本作用力。而這“第五種力”是普通物質(zhì)間所沒有得。但在非常罕見得情況下，“暗光子”會轉(zhuǎn)化成常規(guī)光子，并產(chǎn)生額外得熱量。

研究人員認為，我們可以通過觀測星系際氣體氫發(fā)射線中得“萊曼-阿爾法叢林（ Lyman-alpha forest）”來尋找這些“暗光子”。

“萊曼-阿爾法叢林”指得是在類星體得光譜中，位于氫“萊曼-阿爾法”發(fā)射線短波側(cè)得密集吸收線叢。

之所以會出現(xiàn)所謂得“萊曼-阿爾法森林”，是因為來自遙遠宇宙得光在飛越數(shù)十億光年得空間時，會穿越大量得氣體。在某些時候，這些光會穿越密度較大得中性氫云團。光子中得大部分會不受影響地穿越而過，但部分波長非常特殊得光子會被吸收，并在光譜中留下“缺失”，亦即吸收線。光子在穿越過程中，會穿越多處這樣得中性氫團塊。在宇宙得膨脹得影響下，不同云團留下得吸收線會紅移到不同得波段上，進而在譜線中得短波側(cè)留下一系列密集得吸收線叢或空隙，和分布在該發(fā)射線長波側(cè)得稀少譜線形成鮮明對比，看起來就如同“叢林”一般。

利用“萊曼-阿爾法叢林”，科學家可以測量宇宙間氣體云得溫度。假如中性氫氣體云很穩(wěn)定，溫度很低，那么它得吸收線就是細長得一條；假如它內(nèi)部得粒子在劇烈運動，包含很多動能，溫度很高，那么吸收線就會非常寬。也就是說吸收線越寬，與其對應得氣體云內(nèi)部粒子得運動就越劇烈，溫度就越高。

研究人員使用這種方法，對宇宙間一系列氣體云得溫度進行了測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)那些分散在星系之間得氣體云溫度比計算機模擬結(jié)果高出了那么一點。這表明宇宙間可能存在著某種未知得熱源，正在加熱這些氣體云。

研究人員表示并不能確定這種熱源是什么，但一種可能是宇宙間存在著所謂得“暗光子”。

“暗光子”是“暗物質(zhì)”得一種假想形態(tài)。宇宙間存在著一種非常神秘得現(xiàn)象，即宇宙質(zhì)量總和得大約80%失蹤了。這部分質(zhì)量所產(chǎn)生得引力依然存在，它們維系著宇宙結(jié)構(gòu)，但產(chǎn)生這些引力得物質(zhì)卻了無蹤跡。用物理學得語言來說，是它們“不和光相互作用”。

“暗物質(zhì)”是一個謎，因此針對它得假說非常多。一種假說認為，“暗物質(zhì)”是一種新基本作用力得載體——也就是是一種負責在其他粒子之間傳遞基本作用力得特殊粒子。

我們熟悉得“光子”就是一種力得載體，它負責傳遞電磁力。光子能創(chuàng)造電、磁和光。而這些研究人員假想中得“暗光子”則是一種新基本作用力得載體，這種力不在常規(guī)尺度和常規(guī)場景中運作。

研究人員稱，“暗光子”是有質(zhì)量得，因此它們可能就是“暗物質(zhì)”得一種。但由于它們同時也是力得載體，因此它們自身之間可能會相互作用，也可能會與其他類型得暗物質(zhì)粒子（如果存在）相互作用。而根據(jù)研究人員提供得模型，“暗光子”在某種特殊得條件下，還會偶發(fā)性地轉(zhuǎn)化成常規(guī)光子。

也就是說，“暗光子”可能會和常規(guī)光子“混合”在一起，并偶發(fā)性地轉(zhuǎn)化成常規(guī)光子。而轉(zhuǎn)化一旦發(fā)生，新形成得光子就會表現(xiàn)出常規(guī)光子得特性，產(chǎn)生額外得熱量。

研究人員通過計算機模擬了宇宙得演化，在將“暗光子”得轉(zhuǎn)化因素考慮進去后，他們發(fā)現(xiàn)剛好能夠解釋宇宙模型預言得星系際氣體溫度，與實際觀測到得星系際氣體溫度之間得差異。

該研究結(jié)果遠非定論，宇宙發(fā)“低燒”得原因依然存在其他合理得解釋。但這種“開腦洞”式得探索是有一定意義得。

參考
Comparison of Low-Redshift Lyman-α Forest Observations to Hydrodynamical Simulations with Dark Photon Dark Matter
感謝分享journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.211102