旋涡星系的自转速度快于理论预测。有两种解释，一种是存在我们看不见的暗物质；另一种是引力理论本身出了问题（图片来源：NASA/CXC/SAO/D。 Hartmann/JPL-Caltech）两个多月前，我们曾在《暗物质会和以太一样，根本不存在吗？》一文中介绍过MOND理论。近日，新版相对论MOND模型在《物理评论快报》上正式发表。这种完全无需暗物质的宇宙模型在被科学家忽视了30多年后，重回人们的视野。同时，对弱相互作用大质量粒子的搜寻也以逼近极限，物理学家又开始寻轴子等暗物质候选粒子，但仍没人找到暗物质。暗物质真的存在吗？前沿科学是否已经走了几十年弯路？
撰文 | 王昱
在天文学家没有仔细研究星系的旋转速度之前，一切好像还能糊弄过去。但随着上世纪60年代末美国天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）仔细测量了旋涡星系M31的旋转速度，理论计算和实际观测之间的差异就再也藏不住了，星系外侧的旋转速度绝对比牛顿引力预言的更快。（在这个尺度上广义相对论等同于牛顿引力）经过10年数据积累，她在1980年发表的一篇论文中总结了这一现象，并推断：要么是存在我们看不见的物质产生了额外的引力；要么是牛顿引力出了问题。
传统理论预测的（A）与观测到的（B）典型旋涡星系自转曲线对比，横轴为距离星系中心的距离（图片来源：Wikipedia）暗物质（dark matter）和修改的牛顿动力学（Modified Newtonian Dynamics ，MOND理论）分别是这两个推论的延伸。暗物质假说认为宇宙中我们看不见的暗物质，它逐渐走向了主流。当今宇宙学最常用的模型就是ΛCDM模型，全称为Λ-冷暗物质模型（Lambda Cold Dark Matter Model）。当代宇宙学家曾在课程中学到的，主要就是这种模型。而以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom）则注意到，只有在引力加速度低于10-10m/s2时才会出现自转速度异常，他认为在这一条件下，牛顿引力不再适用，于是提出了MOND理论。但就算1988年他用自己的理论解释了星系旋转曲线问题，MOND理论至今仍门庭奚落。
但近日在《物理评论快报》上发表的一篇论文可能会改变现状。在这篇论文中，两位捷克理论物理学家康斯坦丁斯·斯科迪斯（Constantinos Skordis）和汤姆·兹沃什尼克（Tom Złośnik）开发了一种新的相对论版MOND模型。越来越多的科学家也注意到了他们的成果，或许我们的宇宙根本不需要暗物质。
被忽视的30年
MOND理论被长久忽视是有原因的，最重要的原因是，它无法解释宇宙微波背景（CMB）。
宇宙微波背景辐射（图片来源：NASA）宇宙微波背景辐射是现代天文学最重要的发现之一，它也是宇宙大爆炸假说最重要的证据之一。瑞士宇宙学家鲁思·杜尔（Ruth Durrer）曾说："一个理论必须和（CMB的）数据相符。这就是它（MOND）的瓶颈。"ΛCDM模型能很好地利用CMB的数据，"宇宙中重子物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%"这种科学爱好者耳熟能详的结论，就是用ΛCDM模型计算CMB的数据得出的。相反，MOND理论则一直对CMB的数据束手无策，它无法重现CMB的数据。
除此之外，MOND理论还有一些细节问题，比如它难以解释一些星系中的引力透镜问题。根据广义相对论，大质量物质的引力可以偏折光线，大量物质聚集的地方可以形成引力透镜。但是在以子弹星系为首的一系列星系中，天文学家找不到一些引力透镜对应的质量，只能用不可见的暗物质解释。不过2004年，曾有人提出过一种相对论版MOND理论，该模型可以解释这种"凭空"出现的引力透镜。但是它仍然没能克服那个最关键的问题：解释CMB的数据。
蓝色部分是由引力透镜计算得出的暗物质分布（图片来源：NASA/CXC/M。 Weiss）就连本次论文作者斯科迪斯也承认："如果这个理论不能做到这一点（重现CMB数据），那就根本不值得进一步考虑。"而近日在《物理评论快报》上发表的新版MOND模型，其最大的意义就是用类似MOND的理论解释了CMB。
补全的理论
新版MOND理论假设有两个场弥漫在整个宇宙中，它们的共同作用导致了额外的引力。其中一个场是像希格斯场一样的标量场；另一个则是磁场一样的矢量场，空间中每一点都具有特定的方向。
斯科迪斯和兹沃什尼克设置了理论的参数，让宇宙早期的引力修正场能产生与暗物质类似的效应，这样就能保证今天观测到的CMB数据能被重现。这两个场会随着宇宙时间的推移而演化，最终引力会变成原本MOND理论描述的那样。
美国宇宙学家斯泰西·麦高（Stacy McGaugh）说："这是一项革命性的成果，过去几十年来，因为MOND理论无法实现斯科迪斯和兹沃什尼克今天做到的事，人们很大程度上都忽略了这种理论。"
一旦新版MOND模型解决了CMB的问题，它的优势立马就凸显出来。美国天文学家布伦特·塔利（Brent Tully）和理查德·费希尔（Richard Fisher）在1977年发表的一篇论文中，提出了一个经验公式，描述了旋涡星系的光度与旋转曲线外侧速度之间的关系。很容易就能从这个公式得出"旋涡星系所含重子物质和它在较远距离上的自转速度的4次方成正比"这一关系，这被称为重子塔利-费希尔关系（baryonic Tully-Fisher relation，BTFR）。而MOND理论恰巧就能精确导出BTFR。
No comments:
Post a Comment