暗物質(zhì)可能實際上并不存在物理學(xué)家建議可測試的替代品

近一個世紀(jì)以來，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)的未知和無形物質(zhì)。持續(xù)存在的原因是需要暗物質(zhì)來解釋星系似乎不遵守物理學(xué)基本定律的事實。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)雜志上的這項新研究表明，通過調(diào)整巨大星系尺度上的引力定律，我們實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)，星系團中的速度太高，無法解釋我們能看到多少物質(zhì)。幾個天文學(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)端的恒星運動。

遠(yuǎn)離其中心的恒星的速度預(yù)計會減少，因為它們的重力較小。這是因為，根據(jù)牛頓第二運動定律，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，測量結(jié)果顯示速度隨距離沒有降低。這導(dǎo)致科學(xué)家們相信必須有一些看不見的物質(zhì)才能產(chǎn)生更強的引力和更快的恒星運動。在過去的幾十年中，無數(shù)其他非常大尺度的引力系統(tǒng)探測器表明了同樣的問題。

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)。核心問題在于它是否確實是一種缺失的質(zhì)量來源，例如一種新型物質(zhì)，或者引力定律是否在巨大的長度尺度上完全不同。

雖然第一種選擇看起來很誘人，但我們還沒有發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)。此外，雖然在太陽系內(nèi)對重力定律進行了很好的測試，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暗物質(zhì)需求的嘗試是改進牛頓動力學(xué)(MOND)，這表明當(dāng)引力非常弱時，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。但是這個理論雖然在很多方面都很成功，卻沒有通過與包括暗物質(zhì)在內(nèi)的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型相同的嚴(yán)格測試。

主要問題是MOND無法同時解釋星系和星系團中缺失的質(zhì)量問題。針對MOND的另一個非常強烈的論據(jù)是基于對碰撞星系團的觀察，其中每個星系的恒星相互穿過，但是氣體云團粘在一起并留在后面。一個著名的例子是群，它由兩個這樣的碰撞群組成。觀測結(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無法解釋為什么會這樣。

太空氣泡

我們開始以不同的方式調(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。這表明空間中每個足夠致密，緊湊的物體在其周圍產(chǎn)生一個看不見的球體，這決定了物理定律如何隨著距離的增長而變化。這個領(lǐng)域是一個理論概念，幫助我們理解小規(guī)模和大規(guī)模之間的差異，而不是實際的物理膜。

根據(jù)我們的理論，在這個泡沫中，我們在太陽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 - 即使沒有更多的質(zhì)量存在。

氣泡大小將與中心物體的質(zhì)量成比例。例如，如果在一個星系中，這個球體的半徑為幾千光年 - 觀察到暗物質(zhì)的典型距離 - 我們太陽的相應(yīng)球體半徑將達(dá)到50.000天文單位(一個這樣的單位)是太陽和地球之間的距離)。然而，太陽系的邊緣只有50個天文單位。換句話說，我們無法觀察到遠(yuǎn)離太陽的物體，以測試太陽對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。這意味著重力定律分別在星系和星系團中以不同的長度尺度變化，因此它可以同時解釋兩個系統(tǒng)中的明顯暗物質(zhì)。MOND無法做到這一點。此外，它與群的觀察一致。這是因為在碰撞中留下的氣體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因斯坦的廣義相對論更好，后者允許暗物質(zhì)存在。因此，實際上可能沒有比我們想象的那么神秘的暗物質(zhì) - 甚至可能根本沒有。

我們計劃進一步研究這一有趣的現(xiàn)象。它也可能導(dǎo)致銀河運動的高度可，為此我們收集了越來越多的證據(jù)。

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