宇宙战斗：深入研究暗物质与修正引力之间的战斗 – 物理世界

想象一下，如果对万有引力定律进行一点小小的调整，就能一举消除宇宙中对所有暗物质的需求。你会摆脱一种令人讨厌的粒子，这种粒子只是被推断存在，而且迄今为止还无法被发现。相反，您可以用一个优雅的理论来代​​替它，该理论修改了艾萨克·牛顿和阿尔伯特·爱因斯坦的基础工作。

至少这是改良牛顿动力学（MOND）的梦想。由以色列物理学家开发 莫德海·米尔格罗姆 墨西哥出生的美国以色列理论家 雅各布·贝肯斯坦 在 1980 世纪 80 年代初，这是他们对流行的“暗物质”范式的解药。对他们来说，暗物质是宇宙学中不必要且笨拙的附加物，如果它是真实的，就意味着宇宙中 XNUMX% 的物质是不可见的。

自设计以来的 40 年里，MOND 的成就继续被宇宙学对暗物质的热爱所掩盖。 MOND 还努力解释比单个星系更大或更小的尺度上的现象。那么 MOND 究竟是我们应该认真对待的事情吗？

奇怪的曲线

我们的故事始于 1960 世纪 1970 年代末，进入 XNUMX 年代，美国天文学家维拉·鲁宾 (Vera Rubin) 和肯特·福特 (Kent Ford) 意识到，星系外围的恒星与靠近中心的恒星的公转速度一样快，这显然违反了约翰内斯·开普勒的轨道运动定律。他们在星系的旋转曲线中说明了这一点，本质上只是轨道速度与中心半径的关系图。这些图表不是显示负斜率，而是一条平线。在某个地方，有一些额外的引力牵引着那些外层恒星。

暗物质——一种看不见的物质形式，其丰富程度足以成为宇宙中的主导引力——是流行的解决方案。如今，暗物质的概念与我们的宇宙学标准模型密切相关，并且是我们对宇宙结构如何形成的理解所固有的。

暗物质形成的图景很简洁，但对于一小群避开暗物质宇宙学并采用 MOND 的物理学家和天文学家来说，还不够简洁。事实上，他们的案件有充足的证据。 2016年 凯斯西储大学的史黛西·麦高 测量了153个星系的旋转曲线（物理学。 牧师 117 201101）并以前所未有的准确性发现它们的旋转曲线可以通过 MOND 来解释，而无需求助于每个星系周围的暗物质光环。通过这样做，他证明了米尔格罗姆的预测是正确的。

“我断言 MOND 比暗物质更好地解释了这些事情，原因在于它的预测能力，”前暗物质研究员、现在是 MOND 倡导者的麦高说道，在一次顿悟后，他改变了立场。他指的是这样一个事实：如果您知道星系的可见质量（所有恒星和气体），那么通过应用 MOND，您可以计算出旋转速度。在暗物质范式中，您无法根据暗物质的存在来预测速度。相反，你必须测量星系的旋转曲线来推断存在多少暗物质。麦高认为这是循环推理，而不是暗物质的证明。

如何修改重力

修改万有引力定律可能会让许多物理学家感到厌恶——这就是牛顿和爱因斯坦的力量——但这并不是一件奇怪的事情。毕竟，我们生活在一个充满科学难题的神秘宇宙中。暗能量是什么导致宇宙加速膨胀？为什么对宇宙膨胀率的不同测量存在张力？正如我们所见证的那样，星系在早期宇宙中如何形成得如此之快？ 哈勃 和 詹姆斯·韦伯太空望远镜？研究人员越来越多地研究修正的重力理论来提供答案，但并非所有修正的重力模型都是平等的。

包括 MOND 在内的每一个修正引力理论必须做的是解释为什么它在日常尺度上对我们来说仍然是隐藏的，只有在某些条件下才会发挥作用

泰莎·贝克英国朴茨茅斯大学的宇宙学家和修正引力专家，她的职业生涯建立在测试引力定律和寻找修正的基础上，在她的例子中，她试图解释暗能量。 “MOND 是修正引力理论的一个例子，它的不同寻常之处在于它是一种试图取代暗物质的理论，”贝克解释道。 “大多数修正引力理论都没有做到这一点。”

包括 MOND 在内的每一种修正引力理论都必须解释为什么它在日常尺度上对我们来说仍然是隐藏的，只有在某些条件下才会发挥作用。物理学家将这种转变发生的点称为“筛选”，这都是一个规模问题。

“棘手的部分是，如何隐藏我们知道广义相对论非常有效的尺度上的修改？”贝克问道。显而易见的起点可能是考虑引力是否在距离尺度上变化，因此在我们的太阳系中，引力随着平方反比规则而减弱，但在星系团的尺度上，它以不同的速率减弱。麦高说：“这绝对行不通。”他补充说，还有其他量表也行得通。

例如，贝克研究的一种修正重力理论被称为 f(R) 重力 – 概括了爱因斯坦的广义相对论。在下面 f(R），在物质密度足够低的空间区域（例如宇宙空隙），重力会开启暗能量效应。对于MOND来说，筛选机制的尺度是加速度。下面的特征重力加速度称为 a₀ – 大约为 0.1 纳米每秒平方 – 重力的运作方式不同。

而不是遵循平方反比规则，在加速度低于 a₀ 重力下降得更慢，与距离成反比。因此，以四倍距离运行的物体会感受到四分之一的重力，而不是十六分之一。为此所需的低重力加速度正是星系外围恒星所经历的。 “因此，MOND 在低加速度时开启这些修改，就像 f(R）重力会在低密度下开启其修改，”贝克解释道。

冲突与争议

MOND 在单个星系方面表现出色，但根据您与谁交谈，它在其他环境中可能表现不佳。特别是一次失败已经让 MOND 最坚定的支持者之一开始反对这一理论。

测试 MOND 的理想实验室是一个预计不会大量存在暗物质的实验室，这意味着任何重力异常都应该来自重力定律本身。宽双星系统就是这样一种环境，由 500 个天文单位或更多的成对恒星组成 分开（其中一个天文单位或 AU 是 地球和太阳之间的平均距离）。在如此巨大的距离下，每颗恒星感受到的引力场都很弱。

多亏了 欧洲航天局的盖亚天体测量太空任务MOND 研究人员团队现在已经能够测量宽双星的运动，以寻找 MOND 的证据。就 MOND 作为有效理论的生存而言，这些结果存在争议和相互矛盾。

一支队伍，由 首尔世宗大学 Kyu-Hyun Chae，对 26,500 个宽双星进行了详尽的分析，发现轨道运动与 MOND 的预测相符（应用程序J 952 128）。墨西哥国立自治大学泽维尔·埃尔南德斯 (Xavier Hernandez) 早期的研究支持了这一点，他称赞 Chae 的结果是多么“令人兴奋”。但并非所有人都相信。

在英国圣安德鲁斯大学， 英德兰尼·巴尼克 正在研究他自己的为期六年的项目，以在广泛的二进制文件中测量 MOND。他在进行测量之前就公布了自己的计划，确保花时间与其他专家交谈并获得反馈，并对他的方法进行微调，以便每个人都能达成一致。巴尼克完全期望他的结果能够证明 MOND 是真实的。 “我显然希望 MOND 方案能够发挥作用，”他说。 “所以当它没有出现时，确实是一个非常大的惊喜。”

在 2023 年底发表的一篇论文中，巴尼克发现与标准牛顿引力根本没有偏差（皇家天文学会月刊 10.1093/mnras/stad3393）。结果对他来说是一个沉重的打击，震惊了巴尼克的世界，他公开宣称 MOND 是错误的——这引起了他的一些批评。但为什么他的结果与蔡和埃尔南德斯如此不同呢？ “当然，他们仍然认为那里有东西，”巴尼克说。然而，他对他们的结果持怀疑态度，理由是他们处理测量不确定性的方式存在差异。

这些争论点技术性很强，因此出现不同的解释也许并不奇怪。确实，对于局外人来说，很难知道谁是正确的，谁是错误的。 “很难知道如何判断这一点，”麦高承认。 “我什至觉得自己不完全有资格在这些尺度上做出判断，但我比大多数人更有资格！”

巴尼克认为 MOND 失败的不仅仅是宽二进制文件。他还引用了我们太阳系的例子。 MOND 的核心原则之一是“外部场效应”现象，即银河系的整体引力场能够在较小的系统（例如我们的太阳系）上留下印记。我们应该看到这个印记，特别是在外行星的轨道上。通过无线电跟踪数据寻找这种效应 美国宇航局卡西尼号宇宙飞船于 2004 年至 2017 年间绕土星运行，尚未发现外场对土星轨道产生影响的证据。

巴尼克说：“人们开始意识到，没有办法将 MOND 与卡西尼号数据中未检测到的效应相协调，而且 MOND 无法在光年以下的尺度上发挥作用。”如果巴尼克是正确的，那么 MOND 将处于一个非常糟糕的境地——但这并不是 MOND 对抗暗物质的唯一战场。

集群难题

2006 年 NASA 发布了 两个碰撞的星系团的壮观图像，它们的组合形式被称为子弹星系团。哈勃太空望远镜提供了星系位置的高分辨率视图，而对这些星系之间热气体的X射线观测则来自钱德拉X射线天文台。根据星系和气体的位置，以及星团弯曲空间中物质的引力透镜程度，科学家们能够计算出星团中暗物质的位置。

“据称，子弹星团证实了暗物质的存在，这已被用来强烈反对 MOND，”说 帕维尔·克鲁帕, 波恩大学的天体物理学家。 “嗯，事实证明，情况恰恰相反。”

Kroupa 对 MOND 充满热情，并着眼于探索可能的最大尺度的结构——大型星系团。他的十字准线正是宇宙学的标准模型，通俗地称为“lambda-CDM”或ΛCDM（Λ指宇宙学常数，或宇宙的暗能量成分，CDM是冷暗物质）。

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-3.jpg" data-caption="原始的 欧空局艺术家对极早期宇宙（不到 1 亿年）在经历恒星形成突然爆发时可能是什么样子的印象。 （由 A Schaller/STScI 提供）” title=”单击以在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-暗物质与修改重力物理世界-3.jpg 之间的战斗”>

一方面，克鲁帕认为如此巨大的星系团根本不应该存在，更不用说在高红移情况下有时间碰撞。 ΛCDM 假设结构应该缓慢增长，而克鲁帕认为，对于我们的望远镜向我们展示的早期宇宙中的巨大星系和巨大星团来说，它的增长速度太慢了。更相关的是，星团碰撞本身的动态给克鲁帕带来了希望。特别是，ΛCDM 预测落入组合星团引力井的星系的速度应该比观测到的要低很多。

“星系团碰撞与 ΛCDM 完全不一致，但与 MOND 相当自然地一致，”Kroupa 说。尽管克鲁帕很热情，但麦高却不太确定。事实上，他认为星系团对于 ΛCDM 和 MOND 来说都是一个真正的问题。

“这是一团糟，”他承认。 “对于暗物质来说，碰撞速度太高了。暗物质研究人员一直在争论速度是否太快？对于 MOND 来说，即使在应用 MOND 后，星系团也会显示出质量差异。集群让我担心，因为我看不出有什么好的方法可以解决这个问题。”

万物皆有理论？

簇和宽双星可以争论 循环往复 直到一方或另一方承认失败。但也许对 MOND 最严重的批评是它完全缺乏可行的宇宙学模型。尝试用修改后的星系引力取代暗物质固然很好，但为了使该理论最终取得成功，它必须解释暗物质所能解释的一切，甚至更多。这意味着它需要成为 ΛCDM 的竞争对手，以解释我们在 宇宙微波背景 (CMB) – 充满宇宙的原始微波辐射。

宇宙微波背景通常被描述为“大爆炸的火球”，但它的意义远不止于此。大爆炸后仅 379,000 年以微妙的温度变化形式印在其上的是我们所说的各向异性，对应于通过原始等离子体反射的声波形成的密度稍高或稍低的区域。这些是宇宙结构形成的种子。从这些种子中长出了“宇宙网”——一个物质细丝网络，星系沿着物质细丝网络生长，细丝相遇的地方形成了巨大的星系团。

MOND 的设计目的是通过模仿牛顿而非爱因斯坦来解释星系旋转曲线。贝肯斯坦又花了 20 年的时间才提出了可以应用于现代宇宙学的 MOND 相对论模型。它被称为张量-矢量-标量（TeVeS）引力，事实证明并不受欢迎，它难以解释标准模型中归因于暗物质的各向异性中第三声峰的大小，以及引力透镜和引力波建模的局限性。

很多人认为MOND相对论模型的问题太难了，不可能。那么，2021年 康斯坦丁·斯科迪斯 和 汤姆·兹沃希尼克 捷克科学院的教授证明每个人都错了。在他们的模型中，两人引入了引力修改矢量和标量场，这些场在早期宇宙中运行，产生模仿暗物质的引力效应，然后随着时间的推移演变为类似于现代宇宙中的常规 MOND 理论（物理学。 牧师 127 161302).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg" data-caption="天空拼图 普朗克任务绘制了宇宙微波背景图。对这些数据的广泛接受的解释是，宇宙大约由 4.9% 的普通物质、26.8% 的暗物质和 68.3% 的暗能量组成。 MOND 理论最初无法解释普朗克等任务所揭示的温度变化。 2021 年，Constantinos Skordis 和 Tom Złośnik 创建了一个受 MOND 启发的模型，该模型与普朗克数据以及暗物质模型相匹配。 （由 ESA 和 Planck Collaboration 提供）” title=”单击以在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -暗物质与修改重力物理物理世界-4.jpg之间的战斗”>

鉴于尝试开发 MOND 相对论模型的曲折历史，麦高认为能够写出这样一个适合微波背景的理论是一项“了不起的成就”。 Skordis 和 Złośnik 模型并不完美。与 TeVeS 一样，它很难解释我们在宇宙中观察到的引力透镜效应。巴尼克还强调了该模型的困难，称“它遇到了困难，因为它没有为星系团提供一个很好的解释”。

贝克也表达了这些担忧。 “虽然 MOND 能够做到这一点是向前迈出的一大步，”他说，“但我认为这还不足以让 MOND 重新回归主流。原因是[Skordis和Złośnik]给它添加了很多额外的字段，很多花里胡哨的东西，它真的失去了优雅。它可以与 CMB 配合使用，但看起来很不自然。”

也许我们给模特的肩膀施加了过多的重量。它可以被视为只是一个开始，一个概念证明。 “我不知道这是否是最终的理论，甚至是否是正确的道路，”麦高说。 “但人们一直说这是不可能做到的，而斯科迪斯和兹沃希尼克所表明的是，这是可以做到的，这是向前迈出的重要一步。”

MOND 继续让暗物质的追随者着迷、沮丧并助长他们的蔑视。科学界要想将其视为 ΛCDM 的重量级竞争对手，还有很长的路要走，而且它肯定会因为研究人员相对较少而受到阻碍，这意味着进展缓慢。

但麦高表示，这种新兴理论所取得的成功不应被忽视。如果不出意外的话，它应该会让天文学家对主流暗物质模型保持警惕。

• 在基思·库珀的三部分系列的第二部分中，他将探讨暗物质最近的一些成功及其面临的严峻挑战

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