關於暗物質的那些知識點：它或許是宇宙「真正主宰」

美國聖母大學費米國立加速器實驗實驗室資深科學家唐-林肯解釋了暗物質的真實面目。

許多科學專家認為，宇宙不僅僅是由數十億個星系構成，同時還存在大量叫做暗物質的無形物質。這種奇特物質被認為是一種新類型亞原子微粒，它不會通過電磁進行交互作用，也不會產生較強或者較弱的核力。同時，暗物質質量被認為是宇宙普遍存在原子質量的5倍。

然而，事實上暗物質的存在還未被完全證實。暗物質仍是一個假說，儘管它是一個支持率較高的概念。任何科學理論都必須進行預測，如果它是正確的，那麼你所做的測量應當與預測相一致，暗物質也是一樣的。但是迄今為止，在低質量星系中心暗物質分布的詳細狀況的測量與之前的預測並不相符。

近期，一項研究計算改變了這一點，該計算模型有助於解決「塔利·費舍爾關係」難題，它將星系中可見或者普通物質與它的旋轉速度進行對比，在非常簡化的條件下，科學家發現一個螺旋星系質量越大（越明亮），旋轉速度就更快。

但是如果暗物質存在，一個星系「質量大小」不僅由其可見物質而定，而且還受到它所包含的暗物質的影響。如果作為較大部分的暗物質出現缺失，「塔利·費舍爾關係」則不應當成立。迄今為止，很難想像任何方法能協調這種關係和現有暗物質理論。

暗物質起源

暗物質可能存在的第一個暗示性發現可追溯至1932年，荷蘭天文學家簡·奧爾特（Jan Oort）測量了銀河系內恆星的軌道開放模式，並發現它們運行速度太快，無法通過觀測銀河系質量進行解釋。

然而近半個世紀之後天文學家才開始認真搜尋暗物質，上世紀70年代，天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）和儀器製造商肯特·福特（Kent Ford）依據恆星與星系中心的距離，測量了附近星系的自轉速率，他們將測量結果與標準牛頓引力理論進行了對比分析。

恆星以接近圓形路徑環繞主星系運行，而引力是保持恆星處於軌道位置的作用力。牛頓第二定律預測該作用力使這顆恆星在圓形軌跡中移動，F（圓形軌道作用力）應當等於恆星的引力作用，如果沒有F（引力作用力），恆星將偏離進入太空軌道，或者進入銀河系中心。對於記得高中物理知識的人們來看，F（圓形軌道作用力）是一種慣性的表述，僅是牛頓第二定律F = ma，F（引力作用力）是牛頓萬有引力定律。

在接近銀河系中心的位置，魯賓和福特發現F（圓形軌道作用力）大致上與F（引力作用力）相等，但遠離銀河系中心的區域，F = ma的匹配性不是很好，雖然星系之間詳細狀況有所差異，但是它們的觀測結果基本上一致。

像這樣明顯的差異性需要進行解釋，接近星系中心的區域，羅賓和福特的測量數據意味著該理論有效，而較大軌道距離的差異性意味著現有理論無法解釋一些現象。他們的觀測結果表明，要麼我們不理解慣性如何運行（例如：F（圓形軌道作用力）），或者我們不理解引力是如何工作的（例如：F（引力作用力））。第三種可能性是牛頓第二定律等式是錯誤的，意味著還有其它的作用力或者影響並未計算在內，這是唯一的可能性。

解釋差異性

自40年前魯賓和福特開始搜尋暗物質以來，目前科學家已測試了許多理論，用於解釋他們發現的星系自轉差異。物理學家莫德采·米爾格諾姆（Mordehai Milgrom）提議了一項慣性修改，叫做「改良後牛頓力學」。在其最初階段中，它假設在非常低的加速度下運行，牛頓第二定律F = ma無效。

其他物理學家提議對萬有引力定律進行修改，愛因斯坦的廣義相對論在這裡是無效的，因為在這個領域中，愛因斯坦和牛頓的預測基本上是一樣的。而量子引力理論，則是試圖用亞原子粒子描述引力，同樣不能進行解釋。然而，還有一些引力理論使銀河系或者銀河系之外的預測不同於牛頓萬有引力定律，它們可以作為選擇性理論。

曾有科學家預測稱，存在新的作用力，這些觀點理論認為存在著「第五作用力」，意味著一種神秘力量超越了引力、電磁場和或強或弱的核力。最終科學家指向了暗物質理論，認為這是一種根本不與光發生反應的宇宙物質，卻具有引力牽引，瀰漫分布在整個宇宙之中。

當前銀河系旋轉測量是我們唯一獲得的數據，在這些不同理論中，它可能很難進行選擇。畢竟可能調整每個理論，能夠解決銀河系自轉問題，但是當前有許多不同現象的觀測將有助於確定最合理的理論。

一個是較大星系簇中星系的速度，對於星系簇而言，星系移動速度太快，它們無法聚集在一起。另一個觀測是非常遙遠星系的光線，觀測非常遙遠的遠古星系，結果顯示光線穿過鄰近星系團的引力場時而被扭曲。同時，他們研究發現宇宙微波背景的微小非均勻性特徵，這是宇宙「誕生哭聲」。所有這些測量值（以及更多的）必須通過新的理論來解釋星系旋轉速度。

關於暗物質未解答的問題

暗物質理論在預測許多測量值方面效果很好，這就是為什麼該理論在科學界被普遍認可的原因。但是暗物質仍是一個未經證實的模式，迄今所有暗物質存在的證據都是非直接的。如果暗物質存在，當它穿過地球時，我們應當直接觀測暗物質的交互作用，同時，我們可以在較大的粒子加速器中製造暗物質，像大型強子對撞機。然而這兩種方法都沒有成功。

此外，暗物質應當與所有的、而不僅僅是許多天文觀測一致。雖然暗物質是迄今為止最成功的模型，但它並不是完全成功的。暗物質模型預測大量矮衛星星系環繞像銀河系這樣的大型星系，其數量將比現已發現的數量更多。雖然現已發現大量的矮星系，但它們數量非常少，無法與暗物質預測數值進行對比。

另一個重要的公開問題是暗物質如何影響星系亮度和旋轉速度之間的關係，這種關係首次於1977年提出，叫做「塔利·費舍爾關係」，它已多次證明，一個星系的可見質量與它的旋轉速度密切相關。

對於暗物質的嚴峻挑戰

對於暗物質模型而言，塔利·費舍爾關係是一個嚴峻的挑戰，一個星系的旋轉受它所包含的物質總量控制。如果暗物質真實存在，那麼宇宙物質的總質量就是普通物質和暗物質的總和。

但是現今暗物質理論預測稱，任意星系都可能包含較大部分或者較小部分的暗物質，因此當人們發現宇宙可見物質時，你可能錯過發現占較大部分的暗物質。可見質量只能預測星系總質量的一小部分，星系的質量可能與普通的可見物質質量相似，也可能大得多。

因此，這裡沒有理由認為可見質量應當很好地預測星系的旋轉速度。事實上，今年一份研究報告表明，暗物質懷疑論者使用不同星系塔利·費舍爾關係的測量數據，來反駁暗物質假說，以及修正後的慣性理論。

更適當於暗物質

然而，今年6月份發表的一篇論文中，科學家運行的暗物質模型對於科學研究具有巨大推動性。這項新模擬不僅再現了暗物質模型成功的早期預測，還驗證了塔利·費舍爾關係。

這項最新研究報告是「半解析」模型，它是分析方程和模擬模擬的結合，它模擬了早期宇宙的暗物質簇，它們可能播種星系形成種子，但也包括普通物質交互反應，例如：受引力牽引，普通物質進入另一個天體，通過恆星光線和超新星加熱匯入氣體。通過認真調整參數，研究人員能夠更好地匹配預期的塔利·費舍爾關係，這種計算的關鍵在於預測自轉速度，其中包括：星系中高能重子至暗物質比率的真實數值。

這個最新計算是驗證暗物質模型的重要額外步驟，然而，這並不是最終的結果。任何成功的理論應當與所有測量數據一致，如果不一致，就意味著理論或者數據是錯誤的，或者至少不完整。預測和測量值之間仍存在一些差異（例如：一些小型衛星星系環繞較大的星系），但是這項最新研究報告讓我們相信，未來工作將解決這些差異性。

暗物質能夠較好地預測宇宙結構理論，它並不完整，它需要通過發現實際的暗物質粒子進行驗證。所有當前仍有一些工作需要做。但是最新計算是重要的環節，便於我們知曉宇宙是否由暗物質主宰。（葉傾城）

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