到达地球的每一个光子背后都有一个黑影？

星系团含有大量的暗物质(紫色区域)。NASA

观测结果表明，我们宇宙星系之间的气体——即所谓的星系际气体的温度略高于理论值。天体物理学家通过计算机模拟解释了宇宙中这种异常的“低热”现象：他们认为这是因为宇宙中有一种奇怪的“暗光子”（dark photons）”。

假设“暗光子”是暗物质的一种形式，它们承载着宇宙之间的第五种基本力。

假设“暗光子”是暗物质的一种形式，它们承载着宇宙之间的第五种基本力。而这种“第五力”是普通物质之间所没有的。但在非常罕见的情况下，“暗光子”会转化为常规光子，产生额外的热量。

研究人员认为，我们可以观察星系际气体氢发射线中的“莱曼-阿尔法丛林”（ Lyman-alpha forest）寻找这些“暗光子”。

“莱曼-阿尔法丛林”是指氢“莱曼-阿尔法”发射线短波侧的密集吸收线丛。

所谓的“莱曼-阿尔法森林”之所以出现，是因为来自遥远宇宙的光在飞越数十亿光年的空间时会穿越大量的气体。在某些情况下，这些光会穿过密度较高的中性氢云。大部分光子会不受影响地通过，但一些特殊波长的光子会被吸收，并在光谱中留下“缺失”，即吸收线。在穿越过程中，光子会穿越许多这样的中性氢团块。在宇宙膨胀的影响下，不同云留下的吸收线会红色移动到不同的波段，然后在光谱中的短波侧留下一系列密集的吸收线丛或间隙，与发射线长波侧分布的稀有光谱形成鲜明对比，看起来像“丛林”。

科学家们可以用“莱曼-阿尔法丛林”来测量宇宙中气体云的温度。如果中性氢气云非常稳定，温度很低，那么它的吸收线就很细；如果它的内部颗粒剧烈运动，包含大量的动能和高温，那么吸收线就会非常宽。也就是说，吸收线越宽，相应气体云中颗粒的运动越剧烈，温度越高。

研究人员用这种方法测量了宇宙中一系列气体云的温度，发现分散在星系之间的气体云温度略高于计算机模拟结果。这表明宇宙中可能有一些未知的热源在加热这些气体云。

研究人员表示，他们不确定这种热源是什么，但一种可能是宇宙中有所谓的“暗光子”。

“暗光子”是一种“暗物质”的假想形式。宇宙中有一个非常神秘的现象，那就是宇宙总质量的80%左右消失了。这部分质量产生的重力仍然存在，它们维持着宇宙结构，但产生这些重力的物质却消失了。在物理语言中，它们“不与光相互作用”。

“暗物质”是个谜，所以对它有很多假说。假设“暗物质”是一种新的基本力的载体，即负责在其他粒子之间传递基本力的特殊粒子。

我们熟悉的“光子”是传递电磁力的力载体。光子可以创造电、磁和光。这些研究人员假想中的“暗光子”是一种新的基本力载体，它不在常规尺度和常规场景中工作。

研究人员说，“暗光子”是高质量的，所以它们可能是一种“暗物质”。然而，由于它们也是力的载体，它们可能相互作用，也可能与其他类型的暗物质颗粒（如果存在）相互作用。根据研究人员提供的模型，在特殊条件下，“暗光子”偶尔会转化为常规光子。

也就是说，“暗光子”可能与常规光子“混合”，偶尔转化为常规光子。一旦发生转化，新形成的光子就会表现出常规光子的特性，产生额外的热量。

研究人员通过计算机模拟了宇宙的进化。在考虑了“暗光子”的转换因素后，他们发现了星系际气体温度与实际观测到的星系际气体温度之间的差异，可以解释宇宙模型所预测的星系际气体温度。

研究结果远非定论，宇宙发“低烧”的原因还有其他合理的解释。但这种“开脑洞”式的探索是有意义的。

参考
Comparison of Low-Redshift Lyman-α Forest Observations to Hydrodynamical Simulations with Dark Photon Dark Matter
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.211102