暗物质假说是不完美的但替代方案更糟

By Paul Sutter 

2022/8/7

Science & Astronomy

位于中心的小麦哲伦星云（SMC）是环绕我们自己的第二大卫星星系。该图像将小麦哲伦星云的照片与它的暗物质模型的一半（中间右侧）叠加在一起。更浅的颜色表示密度更大，并显示一个朝向星系中心的强集中。百分之九十五的暗物质被包含在一个跟踪显示的模型的外边缘圆圈中。在六年的数据中，费米没有发现来自小麦哲伦星云暗物质的伽马射线的迹象。. (Image credit: Dark matter, R. Caputo et al. 2016; background, Axel Mellinger, Central Michigan University)

你可能不是暗物质粉丝，暗物质是假设的构成宇宙中大部分质量的粒子。真的暗物质假说有它的缺点------当然，我们还没有发现任何暗物质粒子。但真相是替代方案是远更糟糕的。

宇宙中充满不能解释的秘密（这就是保持天文学家和天体物理学家愉快的在职的），其中许多秘密围绕引力。随我们观察恒星环绕它们的星系中心，我们发现它们正在太快的移动，鉴于能保持它们在那些用它的引力轨道中可见物质的量。

疾驰围绕星系团的星系也移动得太快，鉴于星系团中可见质量的量。这些相同的团弯曲背景光太多。甚至在我们的宇宙中发生的大型结构也太快了，没有额外的质量源。

科学家来解释所有这些不同观测结果的最佳假设是有一种叫暗物质的新型粒子居住在宇宙中。这种粒子会几乎是完全看不见的（因此得名），罕见的（如果从来）与正常物质相互作用。这个想法并不像它似乎是的那样牵强。中微子是刚好有这些属性的粒子。它们没有足够的质量来解释暗物质，但它们确实显示这样的粒子能存在。

但暗物质假说不是完美的。星系生长的计算机模拟提出暗物质主导的星系的中心应该有令人难以置信的高密度。真实星系的观测确实显示出在它们核心更高的密度，但并不像这些模拟预测的那样足够。此外，涉及宇宙中暗物质演化的模拟预测每个星系都应该有数百颗更小的卫星，而观测结果一致的出来不足。

修正的牛顿动力学的情况

鉴于暗物质假说是不完美的------并且我们没有直接任何候选粒子存在的证据------值得探索其他选择。

一种这样的选择回到1970年代与最初暗物质想法一道被引入，当时天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）首次发现了在星系内恒星移动过快的问题了。但不是向宇宙中添加一个新的成分，而是替代方案通过改变引力怎样在星系系尺度上工作改变这个配方。最初的想法被称为“修正的牛顿动力学（MOND）”，但这个名字也适用于从那个原始概念继承的一般理论家族。

用修正的牛顿动力学，你相当多获得标签上的内容。在行星或太阳系尺度上，牛顿的引力只是工作得很好（当然，除了你需要由广义相对论提供的更详细的引力计算）。但一旦你去做大的，我们熟悉的通常的F = ma就不太适用了，力和加速度之间的关系遵循一个不同的规则。

在修正的牛顿动力学下，不需要一种额外的粒子来解释观测结果-------只需对引力进行轻微调整。由于修正的牛顿动力学下的引力调整被明确设计来解释星系内恒星的运动，它自然做得很好。该理论也不会遭受卫星的生产过剩和暗物质的极高星系核。

有缺陷的冠军

但修正的牛顿动力学远不是完美的。来解释恒星的运动对引力所做的修改有解释星系团内星系的运动和背景光的透镜的麻烦。修正的牛顿动力学不是一个完全相对论的理论（所有现代物理学理论都必须与狭义相对论兼容）。修正的牛顿动力学的一个叫TeVeS的更新是等价的，能与广义相对论正面竞争-------并且远远不够。基于修正的牛顿动力学的模型在解释宇宙中结构的生长、宇宙微波背景的特征等方面有重大麻烦------- 所有暗物质工作得相当好的地方。

当到暗物质时没有能解释每一个观察结果的修正的牛顿动力学一样的理论，它们都至少在一项测试上失败。虽然修正的牛顿动力学当到星系旋转曲线时可能仍然是准确的，但有足够的观测来告诉我们，我们仍然需要暗物质来存在在宇宙中。

不，暗物质假说是不完美的。但然后再一次，没有科学假设是的。当评估相互竞争的假设时，科学家们不能只随他们的直觉走或者选择一个听起来更酷或看起来更简单的假设。我们必须遵循证据，无论它指向哪里。在将近50年的时间里，没有人已经提出一个修正的牛顿动力学一样的理论能解释我们拥有关于宇宙的丰富数据。这并没有使修正的牛顿动力学出错，但它确实使它成为对暗物质一个远更弱的替代。