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暗物质或许根本就不存在?

来源:环球科学
子弹星系团。(图片来源:NASA/CXC/M. Weiss)

近一个世纪以来,科学家一直在寻找“暗物质”,宇宙的很大一部分都被认为是由这种隐形且未知的物质构成的。他们坚持这个理论的原因是暗物质可以解释星系不符合基础物理法则的现象。然而,对暗物质的搜寻一直未果。
但有其他的方法可以解释为什么星系的行为如此奇怪。我们发表在《宇宙学与天体粒子物理杂志》上的新研究表明,只要根据星系巨大的尺度稍稍调整万有引力定律,或许我们根本就不需要暗物质。
瑞士天文学家Fritz Zwicky在二十世纪三十年代发现,星系团的速度太大了,以至于无法解释我们所能观察到的物质的量。其他研究组的天文学家也都观察到了类似的现象,比如说当时正在研究仙女座星系远端恒星运动的Vera Rubin和Kent Ford。
远离中心的恒星速度应该会减小,毕竟它们受到的引力也较小。根据牛顿第二定律,在轨道上运动的物体受到的引力等于其质量和加速度的乘积, 而加速度和速度有关。
三角座螺旋星系的旋转曲线。(图片来源:Mario De Leo/wikipedia, CC BY-SA)

然而,测量结果显示速度并没有随距离增加而降低。这让科学家们相信,一定有一种不可见的物质产生了更强的引力,导致了更快的恒星运动。在过去几十年里,无数大尺度的引力系统探测器都表明了同样的问题。
暗物质之外
解开暗物质究竟是什么的谜团还是现代基础物理的终极挑战。核心问题在于它是否作为一种新的物质存在并成为缺失质量的来源,又或仅仅是因为万有引力定律在长距离尺度下完全不同。
虽然第一种解释看起来非常诱人,但我们实际上并没有找到任何暗物质。并且,尽管在太阳系内,万有引力定律得到了很好的验证,但我们在把这个理论推用到至少十亿倍大的尺度时还是要谨慎。
一个众所周知的不包括暗物质的理论是修正后的牛顿动力学(MOND),该理论表示当引力很弱时,牛顿万有引力定律将变得不规则——星系边缘处就是这样。虽然这个理论在很多方面都很成功,它还是没有像包含了暗物质的宇宙标准模型一样通过严格的考验。
MOND的主要问题是它并不能同时解释星系内和星系团内的质量缺失问题。基于对相撞星系群的观察,还有另一个反驳MOND的论据。碰撞时,两个星系各自的恒星擦身而过,但气体星云却聚在一起并被留在了后面。其中一个著名的例子就是子弹星系团,它由两个碰撞的星系团组成。观察表明在这些天体活动中暗物质会紧跟着总质量比气体星云小的恒星。MOND不能解释这一点。
宇宙气泡
让我们换一种方法调整引力法则。我们假设一种叫做Vainshtein 筛选(Vainshtein screening)的现象在发挥作用。这暗示着空间中每一个足够紧密的物体都能在周围产生一个隐形球体,它将决定物理法则如何随着距离增加而变化。这个球体只是一个帮助我们理解不同大小尺度的理论模型,而不是真正的物理膜。
根据我们的理论,这个气泡内,我们所见到的太阳系内的普通牛顿万有引力定律对与中心大质量物体作用的物体成立。气泡之外,该理论表明中心物体的引力会大大增强——尽管没有更多的质量存在。
气泡的大小与中心物体的质量成正比。如果说一个星系内这个气泡的半径有几千光年——一个能观察到暗物质的典型距离——我们的太阳所对应的气泡半径是50000天文单位(一天文单位的长度相当于太阳与地球之间的距离)。然而,太阳系的边缘只有50天文单位。换句话说,我们无法观察到离太阳足够远的物体,来检验太阳对它的引力与太阳对地球的引力是否不同。只有从很远的距离观察整个系统才能让我们实现这一点。
出乎意料的是,牛顿气泡以一种特定的方式随质量增长。这意味着万有引力定律在不同的长度制度下分别在星系和星系团中改变,因此能够同时解释两种系统中显然应当存在的暗物质。而MOND就无法解释这一点。另外,这也与子弹星系团的观察相符。这是因为星云碰撞留下的气体还不足以在周围生成一个气泡——也就是说只有在更紧密的恒星周围才有暗物质的痕迹。MOND对恒星和气体星云不作区分。
令我们吃惊的是,我们的理论比爱因斯坦允许暗物质存在的广义相对论能更好地解释星系中的恒星速度。所以也许外面存在的暗物质比我们想象得少——甚至一点都不存在。
星系周围的引力透镜幻影。(图片来源:NASA)

我们计划进一步调查这有趣的现象。它还有可能是造成星系运动多样性的原因,而我们也得到了这方面更多的证据。
根据广义相对论,任何具有大质量的物体都能扭曲周围的时空。所以,光线会明显地绕过这个物体,而不是以一条直线通过——这种现象被称为引力透镜。我们的理论可以通过测量个体星系的引力光偏转来进行检验,这是一项十分有趣的测试,尽管它很难测量。我们的理论预测十分紧密的星系会导致更强的光偏转,而令人兴奋的是,当有一天我们测量出结果时,它就会证明我们的理论是否正确。

作者:Juri Smirnov
翻译:费哲妮
审校:鲁智元
引进来源:the Conversation
引进链接:https://theconversation.com/dark-matter-may-not-actually-exist-and-our-alternative-theory-can-be-put-to-the-test-110238

 
本文来自:环球科学
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