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统治学术界的暗物质,真的存在吗?新兴理论正向它发起挑战!

时间:2024-04-08 06:59 来源:网络 作者: 小叶

【帆叶网探索分享】

暗物质——我们的观测表明,是时候抛弃它,而应支持另一个新兴引力理论了。

标准宇宙学模型如此受欢迎,可能是因为:我们的计算出现了错误或我们对其失败的了解有限

统治学术界的暗物质,真的存在吗?新兴理论正向它发起挑战!

图注:含有旋臂的螺旋星系UGC12158(图源 Wikimedia , CC BY-SA)

这篇文章最早发表在《谈话》上,出版社将这篇文章投稿给了空间网站。

尹卓尼·班尼柯,是圣安德鲁斯大学地博士后研究员。

统治学术界的暗物质,真的存在吗?新兴理论正向它发起挑战!

根据牛顿的力学定律,我们可以精确地模拟出太阳系内的行星运动。

但是在19世纪70年代初期,科学家发现我们不能很好地拟合出整个星系的运动——在星系的边缘地带,星系中心天体的引力影响极其微弱,星体却运动得很快,远超过牛顿定理所估计的速度。

这让科学家提出了暗物质的概念。

这是一种隐形的物质,提供了额外的重力导致附近的天体加速运动。

这是当前极为流行的理论。

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在最近的观察中,我和我的同事发现,在最近几次大规模的观测中,这些现象可能用以色列物理学家摩登海·米尔格在1982年提出的米尔格罗米动力学(MOND)来解释更好——这就避免了使用看不见的物质。

MOND的主要假设是当引力减弱,比如像星系边缘一样,力的作用开始不遵循牛顿定律。

这有可能解释为什么恒星,行星,以及超过150个星系的边缘气体,会比预测值快。

但MOND也不止适用于旋转的体系,在很多方面,它都给出了预测。

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已经有科学家认为这些预测的力量让MOND比标准宇宙模型所提出的暗物质比可见物质多的理论更优。

这是因为,根据暗物质理论,星系是高度不确定的,有不定量的暗物质,取决于星系形成的细节,这是我们无法求证的。

那我们就无法预测星系的旋转。

但是MOND的预测却会是确定的。

假设我们已知星系中可见物质在星系中的分布,但不知它的旋转速度。

在标准宇宙模型中,我们只能大概推测出旋转速度为100~300km/h,而MOND却可以推测出速度为180~190km/h。

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图注:星系群Abell520以及猜测的标蓝的暗物质(图源:NASA)

如果在后续的观测中我们发现边缘旋转速度为188km/h,那么两种模拟都是对的,但显然,MOND更胜一筹。

这是当代的奥卡姆剃刀理论——简单的理论比复杂的理论更优。

在这种情况下,我们需要用越少越好的自由参数去解释观测值。

自由参数是一些让理论模型运行的必要的常数。

但是理论本身不会确定这些自由参数,理论没有理由去规定这些常数,我们只能通过观测计算得到它们的值。

引力常数G,标准宇宙模型就是典型例子。

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我们介绍了关于理论的灵活性的概念来理解奥卡姆剃刀理论:自由参数越多,取值范围越广,理论就越复杂。

在我们看来,我们用奥卡姆剃刀理论来检验MOND和标准宇宙模型在天文观测上应用,例如星系旋转,星系群的运动。

每一次我们有一个理论上灵活性的分数在-2到+2之间。

-2分意味着这个模型在没有偷看数据的情况下做出了准确的预测。

+2意味着缺少了某些东西——理论家可通过此来拟合任何一个可信的测量值(因为它有太多变量了)。

同时,我们还测评拟合的质量——+2为佳,-2为差。

然后我们用拟合质量分数减去理论灵活性分数,因为符合真实数据是好事,但能符合所有数据是坏事。

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一个好的模型能做出准确的预测,理想状况下能拿4分.一个坏的模型最低是-4分,这种情况下几乎没有办法去拟合。

我们发现,在32个测试模型中,平均分是-0.25,但MOND分数为1.69。

平均下来,普通模型比MOND和标准宇宙模型分别低了2分和1分。

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图注:根据数据与理论的匹配程度(从下到上改进)以及拟合的灵活性(从左到右上升),将标准宇宙学模型与观测结果进行比较。

空心圆不包括在我们的评估中,因为该数据用于设置自由参数。

转载自我们审查的表3。

(图源:Arxiv)

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图注:类似于图1,但对于MOND,假设粒子仅通过重力相互作用,称为无菌中微子。

注意没有明显的伪造。

转载自我们审查的表4。

(图片Arxiv)

显然,MOND并没有大问题,至少它大概能符合观测数据。

(注意到,图二最后两排显示伪造数据是空白)

暗物质的问题

暗物质带来了一个很严重的关于星系棒(也就是旋臂)的问题。

星系棒是由恒星组成条状亮区。

螺旋形星系的星系棒通常位于其中心区域。

随着时间推移,星系棒会旋转。

如果星系是镶嵌在一堆暗物质中的,那么星系棒的旋转会偏慢。

但是,大多数,如果不是全部,星系棒旋转偏快。

这极大地威胁了标准宇宙模型的准确性。

另一个问题是,最初提出星系有暗物质晕的模型犯了一个大错误——他们认为暗物质粒子为其周围的物质提供了引力,但不受正常物质引力的影响。

这简化了计算,但并不能反映实际情况。

当在随后的模拟中考虑到这一点时,很明显,星系周围的暗物质晕并不能可靠地解释它们的性质。

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我们在综述中调查的标准宇宙学模型还有许多其他失败之处,MOND通常能够自然地解释观测结果。

然而,标准宇宙学模型如此受欢迎,可能是因为:我们的计算出现了错误或我们对其失败的了解有限,其中一些失误是最近才发现的。

这也可能是由于人们不愿意修正引力理论,毕竟引力理论在其他很多物理学领域取得了巨大成功。

在我们的研究中,MOND相对于标准宇宙学模型的巨大领先优势使我们得出结论,MOND受到现有观测的强烈支持。

虽然我们并不认为MOND是完美的,但我们仍然认为它是正确的——星系确实没有暗物质。

这篇文章是从《谈话》再版的。

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