可口可樂(lè)還是百事可樂(lè)？克里斯蒂亞諾·羅納爾多還是貝利？泰勒·斯威夫特或者……好吧，在不讓斯威夫特與《物理世界》 對(duì)抗的情況下，我們只是說(shuō)，我們支持的人或我們做出的選擇往往會(huì)產(chǎn)生部落效應(yīng)。在宇宙學(xué)領(lǐng)域，備受爭(zhēng)議的問(wèn)題之一是你是否支持暗物質(zhì)或修正牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）。這兩種理論都試圖解釋預(yù)測(cè)的宇宙引力效應(yīng)與實(shí)際觀測(cè)到的恒星和星系運(yùn)動(dòng)之間的差異。在尋找完美解釋我們宇宙的宇宙學(xué)模型的過(guò)程中，大多數(shù)天文學(xué)家引入了暗物質(zhì)的概念。但如果他們選擇修改世界早已接受的萬(wàn)有引力定律呢？在三部分系列的第一部分中，基思·庫(kù)珀探討了重力修正理論在解釋不同星系尺度的現(xiàn)象和匹配宇宙微波背景輻射的觀測(cè)數(shù)據(jù)方面的努力和成就。想象一下，如果對(duì)萬(wàn)有引力定律稍作調(diào)整，就可以一舉消除宇宙中對(duì)暗物質(zhì)的所有依賴。你可以甩掉一種令人討厭的粒子，這種粒子只是被推測(cè)存在，迄今為止尚未被發(fā)現(xiàn)。相反，您可以用一個(gè)簡(jiǎn)單而清晰的理論來(lái)代替它，該理論僅稍微修改艾薩克·牛頓和阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的基本工作。這至少是修正牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）的夢(mèng)想。它是由以色列物理學(xué)家莫德?！っ谞柛窳_姆（Mordehai Milgrom）和墨西哥出生的以色列裔美國(guó)理論家雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）于20 世紀(jì)80 年代初提出并發(fā)展的，作為流行的“暗物質(zhì)”理論模型的“解藥”。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)是宇宙學(xué)中不必要且麻煩的附加物，如果它存在，就意味著宇宙中80% 的物質(zhì)是不可見(jiàn)的。自推出以來(lái)的40 年里，MOND 的成就因宇宙學(xué)對(duì)暗物質(zhì)的壓倒性熱情而黯然失色。但MOND 繼續(xù)不懈地努力解釋比單個(gè)星系更大或更小的尺度上的現(xiàn)象。那么MOND是一個(gè)值得我們關(guān)注的理論嗎？奇怪的曲線我們的故事始于20 世紀(jì)60 年代末和1970 年代初，當(dāng)時(shí)美國(guó)天文學(xué)家維拉·魯賓(Vera Rubin) 和肯特·福特(Kent Ford) 意識(shí)到星系外圍的恒星以不同的速度移動(dòng)?？拷行牡暮阈且苿?dòng)速度也一樣快，這顯然違反了約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒的軌道定律。他們?cè)谛窍档男D(zhuǎn)曲線中描述了這一點(diǎn)，該曲線本質(zhì)上是軌道速度與中心半徑的關(guān)系圖。這些圖像不是負(fù)相關(guān)的對(duì)角線，而是水平線。在某個(gè)地方，一定有一些額外的引力在吸引那些外層恒星。暗物質(zhì)是一種廣泛認(rèn)可的解決問(wèn)題的想法。作為一種看不見(jiàn)的物質(zhì)，它無(wú)處不在，足以成為宇宙中的主導(dǎo)引力。如今，暗物質(zhì)的概念與我們的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型密切相關(guān)，并深深扎根于我們對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)如何形成的理解中。 01 盤狀星系證據(jù)圖片來(lái)源：ESO/J Emerson/VISTA/劍橋天文勘測(cè)單位暗物質(zhì)理論非常復(fù)雜且適用，但對(duì)于少數(shù)物理學(xué)家和天文學(xué)家來(lái)說(shuō)還不夠。他們避開(kāi)暗物質(zhì)宇宙學(xué)并轉(zhuǎn)向暗物質(zhì)宇宙學(xué)。并接受了MOND。事實(shí)上，他們有充分的證據(jù)來(lái)支持他們的立場(chǎng)。 2016年，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的Stacy McGaugh測(cè)量了153個(gè)星系的自轉(zhuǎn)曲線（Phys.Rev.Lett.117 201101），并以前所未有的精確度發(fā)現(xiàn)它們的自轉(zhuǎn)曲線的能量釋放是MOND的解釋，而無(wú)需借助光環(huán)每個(gè)星系周圍都有暗物質(zhì)。據(jù)此，他證實(shí)了米爾格羅姆的猜想。

“我認(rèn)為MOND 比暗物質(zhì)更好地解釋了這些現(xiàn)象，因?yàn)樗哂蓄A(yù)測(cè)能力，”前暗物質(zhì)研究員、現(xiàn)任MOND 倡導(dǎo)者麥高說(shuō)，他在頓悟后改變了立場(chǎng)。他指出，如果你知道一個(gè)星系（所有恒星和氣體）的可見(jiàn)質(zhì)量，那么通過(guò)應(yīng)用MOND，你可以計(jì)算出星系的自轉(zhuǎn)速率。但在暗物質(zhì)模型中，您無(wú)法根據(jù)暗物質(zhì)的存在來(lái)預(yù)測(cè)速度。相反，你必須測(cè)量星系的旋轉(zhuǎn)曲線才能推斷出存在多少暗物質(zhì)。麥高認(rèn)為這是循環(huán)推理，并不是暗物質(zhì)存在的證據(jù)。如何修正引力修正引力理論可能是許多物理學(xué)家所厭惡的事情，它源于牛頓和愛(ài)因斯坦的權(quán)威，但這并不是什么奇怪的事情。畢竟，我們生活在一個(gè)充滿科學(xué)奧秘的神秘宇宙中。導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量是什么？為什么不同方法測(cè)得的宇宙膨脹率存在差異？正如哈勃和詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡所見(jiàn)證的那樣，早期宇宙中的星系是如何如此迅速形成的？研究人員越來(lái)越多地尋求修改后的重力理論來(lái)獲得答案，但并非所有修改后的重力模型都是一樣的。泰莎·貝克（Tessa Baker）是英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)的宇宙學(xué)家，也是修正引力理論的大師，她的職業(yè)生涯建立在測(cè)試引力定律并尋找修正來(lái)解釋它們上。暗能量。貝克解釋說(shuō)：“MOND是修改后的引力理論之一。它的獨(dú)特之處在于，它是一種試圖取代暗物質(zhì)的理論?！?“而大多數(shù)修改后的引力理論并沒(méi)有做到這一點(diǎn)?！泵恳粋€(gè)修正的引力理論，包括MOND，修正的引力理論都必須解釋為什么它在日常尺度上對(duì)我們來(lái)說(shuō)是隱藏的，并且只在某些條件下起作用。物理學(xué)家將這種轉(zhuǎn)變發(fā)生的點(diǎn)稱為“篩選點(diǎn)”，這只是一個(gè)規(guī)模問(wèn)題。 “棘手的是，”貝克問(wèn)道，“如何隱藏廣義相對(duì)論“完全適用”尺度上的修正？”一個(gè)明顯的起點(diǎn)可能是考慮重力是否在距離尺度上突然變化，就像我們自己一樣。在太陽(yáng)系中，重力根據(jù)平方反比法則衰減，但在星系團(tuán)的規(guī)模上，它以不同的速率衰減。例如：貝克研究的修正引力理論稱為f(R)引力，并結(jié)合了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。在f(R) 下，重力會(huì)在物質(zhì)密度足夠低的空間區(qū)域（例如宇宙空隙）觸發(fā)暗能量效應(yīng)。對(duì)于MOND來(lái)說(shuō)，篩選機(jī)制的尺度是加速度。當(dāng)?shù)陀诜Q為a0（約0.1 納米每平方秒）的特征重力加速度時(shí)，重力的作用方式會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)加速度低于a0 時(shí)，重力衰減得更慢，與距離成反比，而不是遵循平方反比定律。因此，繞四倍距離運(yùn)行的物體將受到四分之一的引力，而不是十六分之一。為此所需的低重力加速度正是星系外圍的恒星所具備的。 Baker 解釋說(shuō)：“所以MOND 在低加速度下觸發(fā)這些修正，就像f(R) 重力在低密度下觸發(fā)修正一樣?！睕_突與爭(zhēng)議MOND 在個(gè)別星系中表現(xiàn)良好，但仍取決于具體情況，可能會(huì)在其他環(huán)境中表現(xiàn)不佳。特別是一次失敗使得MOND 最忠實(shí)的支持者之一反對(duì)這一理論。測(cè)試MOND 的理想實(shí)驗(yàn)室是：由于不存在大量暗物質(zhì)，這意味著任何重力異常都應(yīng)該來(lái)自重力定律本身。

遙遠(yuǎn)的雙星系統(tǒng)就是這樣一種環(huán)境，由相距500 個(gè)天文單位或更多的恒星對(duì)組成（一個(gè)天文單位(AU) 是地球與太陽(yáng)之間的平均距離）。由于如此巨大的分離，每顆恒星所經(jīng)歷的引力場(chǎng)都非常微弱。 02 測(cè)試場(chǎng)地圖片來(lái)源： NASA/加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL-Caltech）； （左）像這樣的遙遠(yuǎn)雙星系統(tǒng)應(yīng)該是測(cè)試MOND的理想試驗(yàn)場(chǎng)，因?yàn)榘滴镔|(zhì)的影響很小，所以引力效應(yīng)將完全來(lái)自萬(wàn)有引力定律。 （右）首爾世宗大學(xué)的Kyu-Hyun Chae 通過(guò)分析20,000 多個(gè)遙遠(yuǎn)雙星系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果對(duì)此進(jìn)行了測(cè)試。他發(fā)現(xiàn)，在加速度低于0.1nm/s2時(shí)，存在連續(xù)的重力異常（增強(qiáng)系數(shù)為1.4）。這與最初的MOND理論是一致的。在英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)，Indranil Banik 正在進(jìn)行他自己的為期六年的項(xiàng)目，以測(cè)試遙遠(yuǎn)雙星中的MOND。巴尼克完全期望他的結(jié)果能夠證明MOND 是真實(shí)且正確的。 “我顯然預(yù)計(jì)MOND 的預(yù)測(cè)會(huì)奏效，”他說(shuō)。 “所以當(dāng)它沒(méi)有出現(xiàn)時(shí)，真是一個(gè)很大的驚喜?！痹?023 年底發(fā)表的一篇論文中，巴尼克發(fā)現(xiàn)這根本沒(méi)有發(fā)生。與標(biāo)準(zhǔn)牛頓引力的偏差(《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》 10.1093/mnras/stad3393)。這個(gè)結(jié)果對(duì)他來(lái)說(shuō)是一個(gè)沉重的打擊，動(dòng)搖了巴尼克的想法，于是他公開(kāi)宣稱MOND是錯(cuò)誤的——，這讓他受到了一些批評(píng)。但為什么他的結(jié)果與Chae 和Hernandez 的結(jié)果如此不同呢？ “當(dāng)然，他們?nèi)匀徽J(rèn)為那里有東西，”巴尼克說(shuō)。然而，他對(duì)他們的結(jié)果持懷疑態(tài)度，指出他們?cè)跍y(cè)量中處理不確定因素的方式存在差異。遙遠(yuǎn)的雙星并不是Banik 看到MOND 失敗的唯一例子。他還舉了我們太陽(yáng)系的例子。 MOND 的核心原理之一是“外部場(chǎng)效應(yīng)”，即銀河系的整體引力場(chǎng)能夠作用于較小的天體系統(tǒng)，例如我們的太陽(yáng)系。我們應(yīng)該能夠看到這種“印記”（效應(yīng)），尤其是在系外行星的軌道上。研究人員通過(guò)分析2004 年至2017 年間繞土星運(yùn)行的卡西尼號(hào)航天器的無(wú)線電跟蹤數(shù)據(jù)來(lái)尋找這種效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土星軌道上沒(méi)有外部場(chǎng)效應(yīng)的證據(jù)。如果巴尼克是對(duì)的，那么MOND 的處境就會(huì)非常糟糕。但這并不是MOND 對(duì)抗暗物質(zhì)的唯一戰(zhàn)場(chǎng)。星系團(tuán)之謎2006年，美國(guó)宇航局發(fā)布了一張兩個(gè)星系團(tuán)碰撞的壯觀圖像，科學(xué)家根據(jù)星系和氣體的位置，以及星系團(tuán)中物質(zhì)扭曲空間而產(chǎn)生的引力透鏡程度。能夠計(jì)算出星系團(tuán)中暗物質(zhì)的位置。子彈星系團(tuán)（1E0657-558）因其子彈形狀的外觀而得名。該圖像結(jié)合了來(lái)自多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，紅色代表熱氣體輻射的X 射線，藍(lán)色代表可能將兩側(cè)分開(kāi)的暗物質(zhì)。波恩大學(xué)天體物理學(xué)家帕維爾·克魯帕（Pavel Kroupa）表示：“子彈星團(tuán)所謂的暗物質(zhì)存在確認(rèn)被用來(lái)強(qiáng)烈反對(duì)MOND。” “嗯，事實(shí)證明，恰恰相反。”原創(chuàng)：藝術(shù)家對(duì)早期宇宙（不到十億年）的印象，因?yàn)樗?jīng)歷了恒星的爆炸性創(chuàng)造。 （圖片來(lái)源：A Schaller/STScI）首先，Krupa認(rèn)為如此巨大的星系團(tuán)根本不應(yīng)該存在，更不用說(shuō)有時(shí)間在高紅移下發(fā)生碰撞（注：高紅移意味著天體有更大的后退速度，根據(jù)物體在碰撞之前將相互遠(yuǎn)離的位置）。

CDM 認(rèn)為宇宙結(jié)構(gòu)應(yīng)該緩慢形成，克魯帕認(rèn)為這對(duì)于我們的望遠(yuǎn)鏡向我們展示的東西來(lái)說(shuō)太慢了：早期宇宙中存在的巨大星系和巨大星系團(tuán)。相反，正是星團(tuán)碰撞本身的動(dòng)態(tài)給克魯帕帶來(lái)了希望。特別是，CDM 預(yù)測(cè)落入組合星團(tuán)引力井中的星系的速度應(yīng)該比觀測(cè)到的要低得多。萬(wàn)物皆有理論？星系團(tuán)和遙遠(yuǎn)的雙星系統(tǒng)可以無(wú)休止地爭(zhēng)論，直到一方承認(rèn)失敗。但也許對(duì)MOND 最嚴(yán)重的批評(píng)是它完全缺乏可行的宇宙學(xué)模型。嘗試用修改后的星系引力取代暗物質(zhì)固然很好，但為了使這一理論最終成功，它必須能夠解釋暗物質(zhì)所能解釋的一切，甚至更多。這意味著它需要成為CDM 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，才能解釋我們?cè)谟钪嫖⒉ū尘?CMB) 中看到的東西，宇宙微波背景是遍布宇宙的原始微波輻射。天空之謎：普朗克衛(wèi)星任務(wù)創(chuàng)建的宇宙微波背景輻射圖。人們普遍接受的數(shù)據(jù)解釋是，宇宙由大約4.9% 的普通物質(zhì)、26.8% 的暗物質(zhì)和68.3% 的暗能量組成。 MOND 理論最初無(wú)法解釋普朗克衛(wèi)星和其他衛(wèi)星所表現(xiàn)出的溫度變化。但在2021 年，Constantinos Skordis 和Tom Zonik 提出了一個(gè)受MOND 啟發(fā)的模型，該模型適合來(lái)自普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)以及暗物質(zhì)模型。 （圖片來(lái)源：ESA 和Planck Collaboratio）鑒于嘗試開(kāi)發(fā)相對(duì)論MOND 模型的曲折歷史，McGaugh 認(rèn)為能夠編寫(xiě)這樣一個(gè)與微波背景輻射一致的理論已經(jīng)是一項(xiàng)“了不起的成就”。 Skordis 和Zonik 的模型并不完美。與TeVeS 一樣，它很難解釋我們?cè)谟钪嬷杏^察到的大量引力透鏡。巴尼克還強(qiáng)調(diào)了該模型面臨的困難，稱“它無(wú)法很好地解釋星系團(tuán)，使其陷入困境。”貝克同意這一點(diǎn)。 “雖然MOND 能夠做到這一點(diǎn)是向前邁出的一大步，”他說(shuō)，“但我認(rèn)為這還不足以讓MOND 重新回歸主流。因?yàn)镾kordis 和Zonik 的模型增加了很多冗余。該字段的其余部分大部分都是無(wú)用的，因此它確實(shí)失去了它的優(yōu)雅。它可以與CMB 配合使用，但看起來(lái)不自然?！币苍S我們給模型的肩膀施加了太大的壓力。這可以看作只是一個(gè)開(kāi)始，一個(gè)概念證明。“無(wú)論這是最終的理論還是正確的道路，我不知道，”麥高說(shuō)，“但人們一直說(shuō)這是不可能的，而斯科迪斯和茲沃希尼克已經(jīng)證明這是可以做到的！” MOND 繼續(xù)吸引、挫敗并加深暗物質(zhì)追隨者的蔑視。科學(xué)界將其視為CDM 的重量級(jí)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手還有很長(zhǎng)的路要走，而且它的發(fā)展顯然因人數(shù)太少而受到阻礙。麥高說(shuō)，這意味著進(jìn)展將會(huì)緩慢，但這一新興理論的成功至少應(yīng)該引起研究主流暗物質(zhì)模型的天文學(xué)家的警惕。 《天文濕刻》木府出品微信公眾號(hào)：astronomycn 編譯：尹校對(duì)：DAIKIN 排版：Hulu 后臺(tái)：朱晨宇

來(lái)源：Shepherd Astronomy 編輯：K.Collider

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