新宇宙学模型揭示早期宇宙暗物质的超相对论解耦机制

2026年1月，权威学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）刊登了一项重塑宇宙学认知的研究成果。明尼苏达大学双城分校与巴黎-萨克雷大学的科研人员联合提出了一种创新模型，挑战了关于暗物质形成的传统框架。该研究表明，暗物质在早期宇宙中最初可能处于超相对论的“极热”状态并发生分离，但随后能够及时冷却，从而转化为构建宇宙大尺度结构所必需的冷暗物质。

长期以来，科学界普遍认为暗物质在后暴胀再加热时期的“冻结”瞬间必须是寒冷的。这一共识源于热暗物质（如低质量中微子）会因其高速运动而抹平微小的密度波动，进而抑制宇宙大尺度结构的演化。明尼苏达大学的基思·奥利弗（Keith Olive）教授曾多次指出，这种对结构生长的抑制作用是限制暗物质模型的核心边界条件，也是以往研究中难以逾越的障碍。

论文第一作者、明尼苏达大学物理与天文学学院的博士生斯蒂芬·亨里奇（Stephen Henrich）解释说，尽管引力坍缩和结构形成确实需要暗物质呈现“寒冷”特征，但新模型证明了其在原始宇宙最初脱离环境时并不一定处于冷相。研究小组系统分析了暴胀结束后高能环境下的暗物质产生机制，结果显示，超相对论状态下的分离过程预留了足够的缓冲时间，使暗物质在宇宙结构萌芽前完成降温，成功满足了现有的所有观测约束。

共同作者、巴黎-萨克雷大学的扬·马姆布里尼（Yann Mambrini）教授强调，这项研究将暗物质的本质属性与宇宙再加热阶段的物理过程直接挂钩，使我们能够一窥极其接近大爆炸的宇宙瞬间。根据理论推算，质量在几千电子伏特（eV）以上的暗物质粒子，到宇宙结构开始生长的时代将冷却至约1电子伏特左右。这一数值不仅符合星系巡天和宇宙微波背景辐射的严苛测量数据，还显著扩大了包括WIMP（大质量弱相互作用粒子）和FIMP（极弱相互作用质量粒子）在内的多种暗物质模型的候选参数范围。

该项理论研究得到了欧盟“地平线2020”计划及玛丽·居里科研基金的资助。尽管模型在理论上具有高度自洽性，但仍需通过后续的实验进行验证。研究团队计划利用粒子加速器、深地探测器中的散射实验以及先进的天体物理观测手段，对超相对论分离假说进行多维度的实证。这一发现为研究早期宇宙提供了更为灵活且深邃的视角，揭示了混沌的再加热时期在塑造暗物质最终演化图景中扮演着比此前预想更为关键的角色。