宇宙或许不需要暗物质

知識 10-02

宇宙或许不需要暗物质

当我们谈论宇宙的时候，我们想到的是那些肉眼可见的恢弘天体，从恒星到星系，从星云到超星系团……但它们存在并不能用我们熟悉的物理知识来解释。为了弄清那些星辰运动的方式，我们需要宇宙提供点另外的东西。很长一段时间里，我们相信宇宙给了我们暗物质。

但新的研究显示，如果我们用最精细的眼光观察单个星系，暗物质的假设或许站不住脚。

宇宙或许不需要暗物质

牛顿运动定律正确预见了靠恒星近的行星转得比离恒星远的行星快。但这一现象并不能运用到绕星系中心运转的恒星上。天文学家们发现，星系边缘的恒星的速度与星系中央的相近。

研究者们于是认为存在这么一种看不见的物质，通过其巨大的引力控制了这些恒星的运动速度。目前科学家们相信这种物质不属于已知的粒子，它只能是无影无形的，只能通过引力来观测到的「暗物质」。他们相信暗物质占了宇宙中物质总量的85%。可几十年过去了，没有人成功捕捉到任何一粒暗物质。

近日，研究者们仔细分析了153个星系内恒星与气体的分布情况，并准确预测出了这些物质反常的运动方式。研究第一作者、凯斯西储大学天体物理学家Stacy McGaugh表示，这可能意味我们需要为暗物质模型中的矛盾找到解释，也可能暗示着暗物质根本并不存在。

此前对星系中恒星轨道速度的分析中，大多基于对可见光波长的观测。但制造可见光的恒星一般寿命较短并带来数据波动。

在本研究中，McGaugh和他的同事们选用了Spitzer太空望远镜在最近5年内手机到的近红外光数据。他表示，这些近红外光来自稳定的红巨星，能更好地表现星系中恒星的总质量。该研究发表在最新一期的Physical Review Letters上。

宇宙或许不需要暗物质
普通重子物质(即非暗物质的物质)vs重力加速度。蓝色为观测到的星云，红色为分箱数据。

他们发现在各种形状与组成的星系中，普通物质的位置均与其围绕星系中心运动方式有很大关联，似乎并不需要加入暗物质。论文共同作者Federico Lelli表示，「这些星系之间存在很大的不同，能发现这样的关联很不寻常。」

研究者们认为，由以色列物理学家Moti Milgrom在30多年前提出的修正牛顿引力理论(MOND)似乎可以解释这一现象。即爱因斯坦的广义相对论不适用于巨大的尺度中的引力。

宇宙或许不需要暗物质

McGaugh表示，现有的暗物质模型可能与解释地心说的均轮与本轮模型类似。公元2世纪时，托勒密设计了这种系统用来解释太阳系行星的运动轨迹，到了近1500年后才被推翻。

「我努力用暗物质来解释我的观测，但每次我自以为解决了问题的时候，我感觉我不过是在往均轮上添加本轮——为了解释简单的观测而把理论复杂化。」McGaugh说。

但参与研究的哈佛大学天文系系主任Abraham Leob表示，从宏观角度上看整个宇宙以及星系形成的过程，暗物质仍是更好的解释方式。他说：「我们仍相信爱因斯坦引力理论是正确的，不需要用到MOND之类特殊的理论。」

研究者们现在不排除任何一种理论。他们指出，别的一些暗物质设想，比如把暗物质当作没有粘滞性的「超流体」，以及把引力场中的暗物质粒子比做磁场中的铁屑的模型，或许可以解释他们的发现。

「直到我们真找到了暗物质，我们应该保持开放的心态，相信任何事都有可能。」Leob这么说。

[zzjeff via InsideScience & Forbes]

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