宇宙格斗:暗物质VS修正引力

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编译：吟

校对：DAIKIN

排版：葫芦

后台：朱宸宇

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可口可乐还是百事可乐？C罗或是贝利？泰勒·斯威夫特(霉霉)或者……好吧，不想让斯威夫特一家与《物理世界》对抗，我们只想说，我们支持谁或我们做出的选择往往有部落效应。

在宇宙学的世界里，一个激烈的分歧就是你是支持暗物质还是支持修正牛顿动力学(MOND)。这两种理论都试图解释预测的宇宙引力效应与实际观测到的恒星和星系运动之间的差异。

在寻找一个能够完美解释我们宇宙的宇宙学模型的过程中，大多数天文学家都引入了暗物质的概念。但是，如果他们反而选择去修改世人早已认可的引力定律时又会怎样呢？在由三部分组成的系列的第一部分中，Keith Cooper探讨了引力修正理论在解释不同星系尺度的现象以及匹配宇宙微波背景辐射的观测数据方面所做的努力和获得的成就。

试想一下，如果对引力定律进行一个略微的调整，你就可以一举摆脱对宇宙中所有暗物质的依赖。你能够甩开一种令人讨厌的粒子，而它仅是被推测存在，迄今为止尚未被发现的。相反，你可以用一个简单明了的理论来代替它，该理论仅是略微修改了艾萨克·牛顿和阿尔伯特·爱因斯坦的基本工作。

这至少这是修正牛顿动力学理论(MOND)的梦想。它由以色列物理学家Mordehai Milgrom和墨西哥出生的美籍以色列裔理论家Jacob Bekenstein于20世纪80年代初提出并发展而来，这是他们对流行的“暗物质”理论模式的“解药”。对他们来说，暗物质是宇宙学中一个不必要且笨重的附属品，如果它真的存在，那便意味着宇宙中80%的物质是不可见的。

自提出以来的40年里，MOND取得的成就一直被宇宙学对暗物质的极大热情所淹没。但MOND仍在解释比单个星系更大和更小的尺度上的现象上不懈努力。那么MOND到底是不是我们应该给予重视的理论呢？

奇怪的曲线

我们的故事始于20世纪60年代末、70年代初，美国天文学家维拉·鲁宾(Vera·Rubin)和肯特·福特(Kent·Ford)意识到，星系外围恒星的运行速度与靠近中心的恒星的一样快，这显然违背了约翰尼斯·开普勒(Johannes·Kepler)的轨道运行定律。他们在星系的旋转曲线中描述了这一点，本质上就是轨道速度与中心半径的关系图。这些图像不是负相关的斜线，而是一条水平线。在某处，一定有某个额外的引力牵引着那些外层恒星。

暗物质是一种被广泛认可的解题思路，作为一种无形的物质，其无处不在足以成为宇宙中的占主导地位的引力。今天，暗物质的概念与我们的标准宇宙学模型紧密相连，并深根于我们对宇宙结构形成的理解。

01

盘状星系证据

图源:ESO/J Emerson/VISTA/Cambridge Astronomical Survey Unit

暗物质的理论是很精巧适用,但对于一小部分物理学家和天文学家来说还不够,他们回避了暗物质宇宙学,转而接纳了MOND。事实上，他们有充足的证据支持他们的立场。2016年,凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的Stacy McGaugh测量了153个星系的旋转曲线(Phys.Rev.Lett.117 201101),并以前所未有的精度发现,它们的旋转曲线释能被MOND解释,而无需求助于每个星系周围的暗物质晕。基于此,他证实了米尔格罗姆(Mordecai﹒Milgrom)的推测。

“我敢断言，MOND比暗物质更好地解释了这些现象，原因就是它的预测能力，”前暗物质研究人员、现今MOND的倡导者的McGaugh谈到，他在一次顿悟后改变了立场。他指出这样一个事实，即如果你已知一个星系的可见质量(所有恒星和气体),那么通过应用MOND，你可以计算出星系的旋转速度。但在暗物质模型中，你无法根据暗物质的存在来预测速度。恰恰相反，你必须测算出星系的旋转曲线才能推断有多少暗物质存在。McGaugh认为这是循环推理，并非暗物质存在的证据。

如何修正引力

修正引力理论可能对许多物理学家来说是个诅咒——而这正源于牛顿和爱因斯坦的权威——但这并非一件奇怪的事情。毕竟，我们生活在一个充满科学谜团的神秘宇宙中。致使宇宙加速膨胀的暗能量是什么？为什么使用不同方法测量的宇宙膨胀率会有出入？正如哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜所“见证”的，星系是如何在早期宇宙中如此迅速地形成的？研究人员越来越多地寻求修正引力理论来获得答案，但并非所有的修正引力模型都是平等的。

英国朴茨茅斯大学(University of Portsmouth)的宇宙学家和修正引力理论大师泰莎·贝克(Tessa Baker)将她的的职业生涯建立在在测验引力定律和寻求修正上，以试图借此解释暗能量。贝克解释道：“MOND是修正引力理论其中的一种，它的独特之处在于它是一个试图取代暗物质的理论。”“而大多数修正引力理论却没有这么做。”

包括MOND在内的每一个修正引力理论，都必须解释为什么它在日常尺度上对我们是隐藏的，只在某些特定条件下才起作用。物理学家将这种转变发生的点称为“筛选点”，而那都只是一个尺度问题。

贝克问道：“令人棘手的是，在广义相对论“完美适用”的尺度下，你要如何隐去其中的修正？”显而易见的出发点可能是考虑引力是否在距离尺度上发生突变，好比在我们的太阳系中，引力会按照平方反比规则衰减，但在星系团的尺度上，它会以不同的速率衰减。

例如：贝克所研究的一种修正引力理论——被称为f(R)引力——囊括了爱因斯坦的广义相对论。在f(R)下,引力在物质密度足够低的空间区域(如宇宙空洞)触发暗能量效应。对MOND来说,筛选机制的标度便是加速度。在被称为a0(约为0.1纳米每平方秒)的特征引力加速度以下,引力的作用方式将发生改变。

加速度低于a0时，引力衰减得更慢，与距离成反比，而不是遵循平方反比定律。因此，在四倍距离的轨道上运行的物体会受到四分之一的引力，而不是十六分之一。这所必需的低引力加速度正是星系外围恒星所拥有的加速度。贝克解释道:“所以MOND在低加速度下触发这些修正，就像f(R)引力在低密度下触发修正一样。”

冲突与争议

MOND在单个星系中表现出色，但仍取决于具体情况，可能在其他环境中它将表现不佳。尤其是一次失败已经让MOND最忠实的支持者之一反对这一理论。

测验MOND的理想实验室是这样:不存在大量暗物质，这意味着任何引力异常都应该来自引力定律本身。远距双星系统正是这样一种环境，它由相距500天文单位或以上的成对恒星构成（一个天文单位(AU)是地球和太阳之间的平均距离）。在如此巨大的分隔下，每颗恒星所受到的引力场都很微弱。

02

试验场

图源:a 美国国家航空航天局/喷气推进实验室加州理工学院(JPL-Caltech)；

(左)像这样的远距双星系统应当是检验MOND的理想试验场，因为暗物质的影响将会是最小的，所以引力效应将完全来自引力定律。

(右)首尔世宗大学的Kyu-Hyun Chae通过分析20,000多个远距双星系统的观测结果来测验这一点。他发现，在加速度低于0.1nm/s2的情况下，存在持续不断的的引力异常(增强因子为1.4)。这与最初的MOND理论相一致。

在英国圣安德鲁斯大学(University of St Andrews)，Indranil Banik正在进行他自己的为期六年的测验远距双星中的MOND的项目。Banik完全指望他的结果能证明MOND是真实且正确的。他说：“我显然期待MOND的预测会奏效。”“因此，当它没有做到这一点时，这的确是个非常大的吃惊。”

在2023年末发表的一篇论文中，Banik发现完全没有出现与标准牛顿引力的偏离(《皇家天文学会月报》10.1093/mnras/stad3393)。这个结果对他来说是一个沉重的打击，动摇了Banik的观念，于是他公开宣称MOND是错的——这让他受到了一些抨击。不过，为什么他的结果会与Chae和Hernandez如此不同呢？Banik说：“当然，他们仍然认为存在某种东西。”然而，他对他们的结果持怀疑态度，指出他们在处理测量中的不确定性因素方面存在差异。

远距双星并非Banik看到MOND失败的唯一例子。他还举出了我们太阳系的例子。MOND的核心原理之一是“外部场效应”，即银河系的整体引力场能够将自己施加在较小的天体系统上，例如我们的太阳系。我们应当能看到这种“印记”(效应)，特别是在外行星的轨道上。通过分析2004年至2017年间环绕土星运行的卡西尼号宇宙飞船的无线电跟踪数据来寻找这种效应，研究人员并未发现土星轨道上存在外部场效应的证据。

如果Banik是正确的，那么它会使MOND陷入一个非常糟糕的境地——但这并非MOND对抗暗物质的唯一战场。

星系团谜题

2006年，美国国家航空航天局发布了一张壮观的两个星系团正在碰撞的图像，并根据星系和气体的位置，以及由于星系团中物质扭曲空间产生的引力透镜作用程度，科学家们能够计算出暗物质在星系团中的位置。

子弹星系团(1E0657-558)因外形呈子弹状而得其名。这张照片整合了多个望远镜的数据，其中红色代表高温气体辐射的X射线，蓝色则描绘了可能分隔在两侧的暗物质。

波恩大学(University of Bonn)的天体物理学家克鲁帕(Pavel Kroupa)说：“据称子弹星系团证实了暗物质的存在,这被用来强烈地反对MOND。”“好吧,事实证明,情况恰恰相反。”

原初 ：艺术家对早期宇宙(不到10亿年)在经历恒星的爆发式产生时的想象图。(图源:A Schaller/STScI)

首先，克鲁帕认为，如此巨大的星系团甚至不应该存在，更不用说有时间在高红移下发生碰撞了(注:高红移表示天体具有较大的退行速度,据此天体将在碰撞前已经彼此远离)。ΛCDM认为宇宙结构应该缓慢形成,而克鲁帕争论道,对于我们的望远镜向我们展示的情况来说，这太慢了：早期宇宙中存在的大质量星系和巨大星系团。更确切地说，正是星团碰撞本身的动力学给了克鲁帕希望。尤其是,ΛCDM预测，落入组合星团引力阱的星系的速度应当比观测到的要低得多。

一个万物理论？

星系团和远距双星可以被无限次地争论，直到一方或另一方承认失败。但也许针对MOND最严重的批判是它完全缺乏一个可行的宇宙学模型。在星系中尝试用修正的引力来取代暗物质是很好的，但要想这一理论取得最终的成功，它必须能够解释暗物质所能解释的一切，甚至更多更好。这意味着它需要成为ΛCDM的竞争对手，来解释我们在宇宙微波背景(CMB)中看到的东西——遍布宇宙的原始微波辐射。

天空谜题： 普朗克卫星任务绘制的宇宙微波背景辐射图。人们普遍接受的数据解释是,宇宙约是由4.9%的普通物质、26.8%的暗物质和68.3%的暗能量构成。MOND理论最初无法解释普朗克卫星等所展示的温度变化。但在2021年,Constantinos Skordis和Tom Złośnik提出了一个受MOND启发的模型,它能像暗物质模型一样与普朗克卫星的数据很好地吻合。(图源:ESA and the Planck Collaboratio)

鉴于试图发展一个相对论性MOND模型的曲折历史，McGaugh认为能够写出这样一个符合微波背景辐射的理论已经是一项“了不起的成就”了。Skordis和Złośnik的模型并不完美。与TeVeS一样，它很难解释我们在宇宙中观测到的大量引力透镜现象。Banik还特别强调了该模型所面临的困境，他说“它不能很好地解释星系团使它陷入了窘境”。

贝克对此表示赞同。他说道:“虽然对MOND而言能做到这一点已是向前迈出一大步，”“但我认为这还不足以让MOND重归主流。因为Skordis和Złośnik的模型中增添了很多冗余的场,多数中看不中用，如此它真的变得不再优雅。它能与CMB相协调，但似乎很不自然。”

或许我们把过多的压力置于模型的肩上了。这可以被看作仅是一个开始，一个概念的证明。McGaugh说:“这是否是最终的理论，亦或踏上了正确的道路与否，我也不得而知,”“但人们总在说这是不可能的,而Skordis和Złośnik已经表明这是可以做到的,这是向前迈进的重要一步！”

MOND不断招引致、挫败和加深来自暗物质追随者的蔑视。科学界若要将其视作ΛCDM的重量级竞争对手，还有很长的路要走。并且,它的发展显然因参与其中的人少之又少而受到阻碍，这意味着进展将会是缓慢的。

McGaugh说道,但这一新兴理论所取得的成功不应被忽视。至少，它应该会让那些致力于作为主流的暗物质模型的天文学家们保持警觉。

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