暗物質(zhì)可能實(shí)際上并不存在物理學(xué)家建議可測(cè)試的替代品

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找“ 暗物質(zhì) ” - 一種被認(rèn)為構(gòu)成宇宙中絕大多數(shù)物質(zhì)的未知和無(wú)形物質(zhì)。持續(xù)存在的原因是需要暗物質(zhì)來(lái)解釋星系似乎不遵守物理學(xué)基本定律的事實(shí)。然而，暗物質(zhì)搜索仍未成功。

但還有其他方法可以理解為什么星系表現(xiàn)得如此奇怪。我們發(fā)表在宇宙學(xué)和天體物理學(xué)雜志上的這項(xiàng)新研究表明，通過(guò)調(diào)整巨大星系尺度上的引力定律，我們實(shí)際上可能并不需要暗物質(zhì)。

瑞士天文學(xué)家Fritz Zwicky在20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)，星系團(tuán)中的速度太高，無(wú)法解釋我們能看到多少物質(zhì)。幾個(gè)天文學(xué)家群體描述了類似的現(xiàn)象，例如Vera Rubin和Kent Ford，他們研究了仙女座星系遠(yuǎn)端的恒星運(yùn)動(dòng)。

遠(yuǎn)離其中心的恒星的速度預(yù)計(jì)會(huì)減少，因?yàn)樗鼈兊闹亓^小。這是因?yàn)?，根?jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，軌道物質(zhì)上的引力可以等同于質(zhì)量和加速度(與速度有關(guān))的乘積。

然而，測(cè)量結(jié)果顯示速度隨距離沒(méi)有降低。這導(dǎo)致科學(xué)家們相信必須有一些看不見(jiàn)的物質(zhì)才能產(chǎn)生更強(qiáng)的引力和更快的恒星運(yùn)動(dòng)。在過(guò)去的幾十年中，無(wú)數(shù)其他非常大尺度的引力系統(tǒng)探測(cè)器表明了同樣的問(wèn)題。

超越暗物質(zhì)

暗物質(zhì)究竟是什么的神秘面紗仍然是現(xiàn)代基礎(chǔ)物理學(xué)的終極挑戰(zhàn)。核心問(wèn)題在于它是否確實(shí)是一種缺失的質(zhì)量來(lái)源，例如一種新型物質(zhì)，或者引力定律是否在巨大的長(zhǎng)度尺度上完全不同。

雖然第一種選擇看起來(lái)很誘人，但我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)。此外，雖然在太陽(yáng)系內(nèi)對(duì)重力定律進(jìn)行了很好的測(cè)試，但必須小心地將其推斷為至少比十億倍大的尺度。

一種眾所周知的消除對(duì)暗物質(zhì)需求的嘗試是改進(jìn)牛頓動(dòng)力學(xué)(MOND)，這表明當(dāng)引力非常弱時(shí)，牛頓的引力定律變得不規(guī)則 - 就像銀河系外部區(qū)域的情況一樣。但是這個(gè)理論雖然在很多方面都很成功，卻沒(méi)有通過(guò)與包括暗物質(zhì)在內(nèi)的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型相同的嚴(yán)格測(cè)試。

主要問(wèn)題是MOND無(wú)法同時(shí)解釋星系和星系團(tuán)中缺失的質(zhì)量問(wèn)題。針對(duì)MOND的另一個(gè)非常強(qiáng)烈的論據(jù)是基于對(duì)碰撞星系團(tuán)的觀察，其中每個(gè)星系的恒星相互穿過(guò)，但是氣體云團(tuán)粘在一起并留在后面。一個(gè)著名的例子是群，它由兩個(gè)這樣的碰撞群組成。觀測(cè)結(jié)果表明暗物質(zhì)跟隨這些事件中的恒星，其總質(zhì)量低于氣體云。MOND無(wú)法解釋為什么會(huì)這樣。

太空氣泡

我們開(kāi)始以不同的方式調(diào)整引力定律。我們的方法假設(shè)稱為Vainshtein篩選的現(xiàn)象正在起作用。這表明空間中每個(gè)足夠致密，緊湊的物體在其周圍產(chǎn)生一個(gè)看不見(jiàn)的球體，這決定了物理定律如何隨著距離的增長(zhǎng)而變化。這個(gè)領(lǐng)域是一個(gè)理論概念，幫助我們理解小規(guī)模和大規(guī)模之間的差異，而不是實(shí)際的物理膜。

根據(jù)我們的理論，在這個(gè)泡沫中，我們?cè)谔?yáng)系中看到的普通牛頓引力定律適用于與中心大質(zhì)量物體相互作用的物體。在泡沫之外，該理論認(rèn)為中心物體的引力可以顯著增強(qiáng) - 即使沒(méi)有更多的質(zhì)量存在。

氣泡大小將與中心物體的質(zhì)量成比例。例如，如果在一個(gè)星系中，這個(gè)球體的半徑為幾千光年 - 觀察到暗物質(zhì)的典型距離 - 我們太陽(yáng)的相應(yīng)球體半徑將達(dá)到50.000天文單位(一個(gè)這樣的單位)是太陽(yáng)和地球之間的距離)。然而，太陽(yáng)系的邊緣只有50個(gè)天文單位。換句話說(shuō)，我們無(wú)法觀察到遠(yuǎn)離太陽(yáng)的物體，以測(cè)試太陽(yáng)對(duì)它們的引力是否與地球上的引力不同。只有在很遠(yuǎn)的地方觀察整個(gè)系統(tǒng)才能讓我們這樣做。

令人驚訝的效果是牛頓泡的大小以封閉的質(zhì)量以特定的方式增長(zhǎng)。這意味著重力定律分別在星系和星系團(tuán)中以不同的長(zhǎng)度尺度變化，因此它可以同時(shí)解釋兩個(gè)系統(tǒng)中的明顯暗物質(zhì)。MOND無(wú)法做到這一點(diǎn)。此外，它與群的觀察一致。這是因?yàn)樵谂鲎仓辛粝碌臍怏w云不足以在它們周圍產(chǎn)生球體 - 這意味著明顯的暗物質(zhì)僅在更緊湊的恒星周圍才能顯著。MOND不區(qū)分恒星和氣體云。

令我們驚訝的是，我們的理論使我們能夠解釋星系中的恒星速度比愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論更好，后者允許暗物質(zhì)存在。因此，實(shí)際上可能沒(méi)有比我們想象的那么神秘的暗物質(zhì) - 甚至可能根本沒(méi)有。

我們計(jì)劃進(jìn)一步研究這一有趣的現(xiàn)象。它也可能導(dǎo)致銀河運(yùn)動(dòng)的高度可，為此我們收集了越來(lái)越多的證據(jù)。

根據(jù)廣義相對(duì)論，任何巨大的身體都會(huì)扭曲它周圍的空間和時(shí)間。結(jié)果，光線明顯轉(zhuǎn)向物體而不是直線行進(jìn) - 這種效應(yīng)被稱為引力透鏡。對(duì)我們發(fā)現(xiàn)的一個(gè)非常有趣的測(cè)試是觀察各個(gè)星系的精確引力光偏轉(zhuǎn)，這雖然是一個(gè)困難的測(cè)量。我們的理論預(yù)測(cè)非常緊湊的星系會(huì)有更強(qiáng)的光線偏轉(zhuǎn)，因此，令人興奮的是，有朝一日它可能會(huì)被這種測(cè)量所證偽或證實(shí)。對(duì)話