暗物质理论或将面临巨大挑战

星系内恒星的运动模式与暗物质理论有矛盾？...



星系内恒星的运动模式与暗物质理论有矛盾？



NGC 7331星系。Adam Block / 莱蒙山天空中心 / 亚利桑那大学

暗物质是否存在？这或许是我们宇宙中最大的谜团之一。天文学家通过观测可见物质得出的星系、星系团等大尺度结构的质量，和这些天体的运动方式对应不起来。我们看到的这些天体，似乎原本早就应该分崩离析。除非我们假设宇宙中存在一种看不见摸不着的“暗”物质，现有的物理学理论才可以解释我们眼中所看到的宇宙。

假如“暗”物质确实存在，那么根据我们的经验，它必然是不发光的，既不会和可见物质发生电磁作用，也不会和可见物质发生核力作用。也就是说，它只会通过引力，和这个宇宙的其余部分发生作用。而且，暗物质的含量必然十分巨大，甚至于宇宙质量的大部分，应当归于暗物质。

假如暗物质确实存在，那么它必然在宇宙的极早期就已经产生了。令科学家庆幸的是，许多存在于大尺度上的观测证明，都坚定地指向了暗物质的存在。

但是在较小的尺度上，比如单一星系内，寻找暗物质的天文学家们，最近却遇到了一个不小的麻烦。



后发座星系团。维基共享资源

星系中的恒星之所以会围绕着星系运行，是因为受到星系质量所产生的引力影响。恒星受到的引力越大，它的径向加速度就越大，因此才不会被引力拉向星系中心。根据现有暗物质理论，星系中的暗物质并未聚集在星系的中心，而是分布在一个把星系笼罩起来的暗物质“晕”中。暗物质晕包含了星系的大部分质量，大部分暗物质也包含在这个晕中。

最近，三位科学家Stacy McGaugh、Federico Lelli和James Schombert，在《物理学评论通讯》上发表了一篇论文，列举了针对153个不同星系的观测数据。

在这其中，浮现了一些非常出人意料的结果：在他们的数据中，星系内引力加速大的地方，径向加速也大，反之亦然。也就是说，星系内恒星的运动速度，和星系中可见物质的分布情况存在着对应关系。而且，这种对应关系在各类星系身上广泛存在，且不和可见物质是否聚集在星系中心有关。

这是一个经验性的结论。但却是为何？三位学者列举了三种可能。第一种是，这种对应关系和星系形成时的动力学特性有关。它们之间究竟存在着什么样的关系并不知道，但毕竟我们对星系演化的了解也不多。第二种可能是，星系中暗物质的分布和可见物质的分布存在着关联。这就需要修正暗物质理论，以使它们能够在理论上具有和可见物质相同的聚集方式。第三种是，我们需要某种经过修改的引力动力学理论，来取代暗物质理论。

模拟出来的那些暗物质“晕”，在现实中是否真的存在？假如暗物质确实是宇宙间许多天体结构间引力行为的始作俑者，那么为什么在星系中又会存在这种和可见物质有关的对应关系？假如暗物质理论是对的，那么它必须能够解释这一切。

正如有的学者所说，“流行的宇宙学模型，对于解释我们在这个宇宙中观测到的一切，是极为成功的。但是哪怕只有一个观测结果让我们夜不能寐，我们就要反思它在根本上是否有问题。”

点击“阅读原文”，可以看到这篇论文的英文版。

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