可口可乐还是百事可乐？克里斯蒂亚诺·罗纳尔多还是贝利？泰勒·斯威夫特或者……好吧，在不让斯威夫特与《物理世界》 对抗的情况下，我们只是说，我们支持的人或我们做出的选择往往会产生部落效应。在宇宙学领域，备受争议的问题之一是你是否支持暗物质或修正牛顿动力学（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，大多数天文学家引入了暗物质的概念。但如果他们选择修改世界早已接受的万有引力定律呢？在三部分系列的第一部分中，基思·库珀探讨了重力修正理论在解释不同星系尺度的现象和匹配宇宙微波背景辐射的观测数据方面的努力和成就。想象一下，如果对万有引力定律稍作调整，就可以一举消除宇宙中对暗物质的所有依赖。你可以甩掉一种令人讨厌的粒子，这种粒子只是被推测存在，迄今为止尚未被发现。相反，您可以用一个简单而清晰的理论来代替它，该理论仅稍微修改艾萨克·牛顿和阿尔伯特·爱因斯坦的基本工作。这至少是修正牛顿动力学（MOND）的梦想。它是由以色列物理学家莫德海·米尔格罗姆（Mordehai Milgrom）和墨西哥出生的以色列裔美国理论家雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）于20 世纪80 年代初提出并发展的，作为流行的“暗物质”理论模型的“解药”。对他们来说，暗物质是宇宙学中不必要且麻烦的附加物，如果它存在，就意味着宇宙中80% 的物质是不可见的。自推出以来的40 年里，MOND 的成就因宇宙学对暗物质的压倒性热情而黯然失色。但MOND 继续不懈地努力解释比单个星系更大或更小的尺度上的现象。那么MOND是一个值得我们关注的理论吗？奇怪的曲线我们的故事始于20 世纪60 年代末和1970 年代初，当时美国天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin) 和肯特·福特(Kent Ford) 意识到星系外围的恒星以不同的速度移动。靠近中心的恒星移动速度也一样快，这显然违反了约翰内斯·开普勒的轨道定律。他们在星系的旋转曲线中描述了这一点，该曲线本质上是轨道速度与中心半径的关系图。这些图像不是负相关的对角线，而是水平线。在某个地方，一定有一些额外的引力在吸引那些外层恒星。暗物质是一种广泛认可的解决问题的想法。作为一种看不见的物质，它无处不在，足以成为宇宙中的主导引力。如今，暗物质的概念与我们的标准宇宙学模型密切相关，并深深扎根于我们对宇宙结构如何形成的理解中。 01 盘状星系证据图片来源：ESO/J Emerson/VISTA/剑桥天文勘测单位暗物质理论非常复杂且适用，但对于少数物理学家和天文学家来说还不够。他们避开暗物质宇宙学并转向暗物质宇宙学。并接受了MOND。事实上，他们有充分的证据来支持他们的立场。 2016年，凯斯西储大学的Stacy McGaugh测量了153个星系的自转曲线（Phys.Rev.Lett.117 201101），并以前所未有的精确度发现它们的自转曲线的能量释放是MOND的解释，而无需借助光环每个星系周围都有暗物质。据此，他证实了米尔格罗姆的猜想。

“我认为MOND 比暗物质更好地解释了这些现象，因为它具有预测能力，”前暗物质研究员、现任MOND 倡导者麦高说，他在顿悟后改变了立场。他指出，如果你知道一个星系（所有恒星和气体）的可见质量，那么通过应用MOND，你可以计算出星系的自转速率。但在暗物质模型中，您无法根据暗物质的存在来预测速度。相反，你必须测量星系的旋转曲线才能推断出存在多少暗物质。麦高认为这是循环推理，并不是暗物质存在的证据。如何修正引力修正引力理论可能是许多物理学家所厌恶的事情，它源于牛顿和爱因斯坦的权威，但这并不是什么奇怪的事情。毕竟，我们生活在一个充满科学奥秘的神秘宇宙中。导致宇宙加速膨胀的暗能量是什么？为什么不同方法测得的宇宙膨胀率存在差异？正如哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜所见证的那样，早期宇宙中的星系是如何如此迅速形成的？研究人员越来越多地寻求修改后的重力理论来获得答案，但并非所有修改后的重力模型都是一样的。泰莎·贝克（Tessa Baker）是英国朴茨茅斯大学的宇宙学家，也是修正引力理论的大师，她的职业生涯建立在测试引力定律并寻找修正来解释它们上。暗能量。贝克解释说：“MOND是修改后的引力理论之一。它的独特之处在于，它是一种试图取代暗物质的理论。” “而大多数修改后的引力理论并没有做到这一点。”每一个修正的引力理论，包括MOND，修正的引力理论都必须解释为什么它在日常尺度上对我们来说是隐藏的，并且只在某些条件下起作用。物理学家将这种转变发生的点称为“筛选点”，这只是一个规模问题。 “棘手的是，”贝克问道，“如何隐藏广义相对论“完全适用”尺度上的修正？”一个明显的起点可能是考虑重力是否在距离尺度上突然变化，就像我们自己一样。在太阳系中，重力根据平方反比法则衰减，但在星系团的规模上，它以不同的速率衰减。例如：贝克研究的修正引力理论称为f(R)引力，并结合了爱因斯坦的广义相对论。在f(R) 下，重力会在物质密度足够低的空间区域（例如宇宙空隙）触发暗能量效应。对于MOND来说，筛选机制的尺度是加速度。当低于称为a0（约0.1 纳米每平方秒）的特征重力加速度时，重力的作用方式会发生变化。当加速度低于a0 时，重力衰减得更慢，与距离成反比，而不是遵循平方反比定律。因此，绕四倍距离运行的物体将受到四分之一的引力，而不是十六分之一。为此所需的低重力加速度正是星系外围的恒星所具备的。 Baker 解释说：“所以MOND 在低加速度下触发这些修正，就像f(R) 重力在低密度下触发修正一样。”冲突与争议MOND 在个别星系中表现良好，但仍取决于具体情况，可能会在其他环境中表现不佳。特别是一次失败使得MOND 最忠实的支持者之一反对这一理论。测试MOND 的理想实验室是：由于不存在大量暗物质，这意味着任何重力异常都应该来自重力定律本身。

遥远的双星系统就是这样一种环境，由相距500 个天文单位或更多的恒星对组成（一个天文单位(AU) 是地球与太阳之间的平均距离）。由于如此巨大的分离，每颗恒星所经历的引力场都非常微弱。 02 测试场地图片来源： NASA/加州理工学院喷气推进实验室（JPL-Caltech）； （左）像这样的遥远双星系统应该是测试MOND的理想试验场，因为暗物质的影响很小，所以引力效应将完全来自万有引力定律。 （右）首尔世宗大学的Kyu-Hyun Chae 通过分析20,000 多个遥远双星系统的观测结果对此进行了测试。他发现，在加速度低于0.1nm/s2时，存在连续的重力异常（增强系数为1.4）。这与最初的MOND理论是一致的。在英国圣安德鲁斯大学，Indranil Banik 正在进行他自己的为期六年的项目，以测试遥远双星中的MOND。巴尼克完全期望他的结果能够证明MOND 是真实且正确的。 “我显然预计MOND 的预测会奏效，”他说。 “所以当它没有出现时，真是一个很大的惊喜。”在2023 年底发表的一篇论文中，巴尼克发现这根本没有发生。与标准牛顿引力的偏差(《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，动摇了巴尼克的想法，于是他公开宣称MOND是错误的——，这让他受到了一些批评。但为什么他的结果与Chae 和Hernandez 的结果如此不同呢？ “当然，他们仍然认为那里有东西，”巴尼克说。然而，他对他们的结果持怀疑态度，指出他们在测量中处理不确定因素的方式存在差异。遥远的双星并不是Banik 看到MOND 失败的唯一例子。他还举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作用于较小的天体系统，例如我们的太阳系。我们应该能够看到这种“印记”（效应），尤其是在系外行星的轨道上。研究人员通过分析2004 年至2017 年间绕土星运行的卡西尼号航天器的无线电跟踪数据来寻找这种效应，结果发现土星轨道上没有外部场效应的证据。如果巴尼克是对的，那么MOND 的处境就会非常糟糕。但这并不是MOND 对抗暗物质的唯一战场。星系团之谜2006年，美国宇航局发布了一张两个星系团碰撞的壮观图像，科学家根据星系和气体的位置，以及星系团中物质扭曲空间而产生的引力透镜程度。能够计算出星系团中暗物质的位置。子弹星系团（1E0657-558）因其子弹形状的外观而得名。该图像结合了来自多个望远镜的数据，红色代表热气体辐射的X 射线，蓝色代表可能将两侧分开的暗物质。波恩大学天体物理学家帕维尔·克鲁帕（Pavel Kroupa）表示：“子弹星团所谓的暗物质存在确认被用来强烈反对MOND。” “嗯，事实证明，恰恰相反。”原创：艺术家对早期宇宙（不到十亿年）的印象，因为它经历了恒星的爆炸性创造。 （图片来源：A Schaller/STScI）首先，Krupa认为如此巨大的星系团根本不应该存在，更不用说有时间在高红移下发生碰撞（注：高红移意味着天体有更大的后退速度，根据物体在碰撞之前将相互远离的位置）。

CDM 认为宇宙结构应该缓慢形成，克鲁帕认为这对于我们的望远镜向我们展示的东西来说太慢了：早期宇宙中存在的巨大星系和巨大星系团。相反，正是星团碰撞本身的动态给克鲁帕带来了希望。特别是，CDM 预测落入组合星团引力井中的星系的速度应该比观测到的要低得多。万物皆有理论？星系团和遥远的双星系统可以无休止地争论，直到一方承认失败。但也许对MOND 最严重的批评是它完全缺乏可行的宇宙学模型。尝试用修改后的星系引力取代暗物质固然很好，但为了使这一理论最终成功，它必须能够解释暗物质所能解释的一切，甚至更多。这意味着它需要成为CDM 的竞争对手，才能解释我们在宇宙微波背景(CMB) 中看到的东西，宇宙微波背景是遍布宇宙的原始微波辐射。天空之谜：普朗克卫星任务创建的宇宙微波背景辐射图。人们普遍接受的数据解释是，宇宙由大约4.9% 的普通物质、26.8% 的暗物质和68.3% 的暗能量组成。 MOND 理论最初无法解释普朗克卫星和其他卫星所表现出的温度变化。但在2021 年，Constantinos Skordis 和Tom Zonik 提出了一个受MOND 启发的模型，该模型适合来自普朗克卫星的数据以及暗物质模型。 （图片来源：ESA 和Planck Collaboratio）鉴于尝试开发相对论MOND 模型的曲折历史，McGaugh 认为能够编写这样一个与微波背景辐射一致的理论已经是一项“了不起的成就”。 Skordis 和Zonik 的模型并不完美。与TeVeS 一样，它很难解释我们在宇宙中观察到的大量引力透镜。巴尼克还强调了该模型面临的困难，称“它无法很好地解释星系团，使其陷入困境。”贝克同意这一点。 “虽然MOND 能够做到这一点是向前迈出的一大步，”他说，“但我认为这还不足以让MOND 重新回归主流。因为Skordis 和Zonik 的模型增加了很多冗余。该字段的其余部分大部分都是无用的，因此它确实失去了它的优雅。它可以与CMB 配合使用，但看起来不自然。”也许我们给模型的肩膀施加了太大的压力。这可以看作只是一个开始，一个概念证明。“无论这是最终的理论还是正确的道路，我不知道，”麦高说，“但人们一直说这是不可能的，而斯科迪斯和兹沃希尼克已经证明这是可以做到的！” MOND 继续吸引、挫败并加深暗物质追随者的蔑视。科学界将其视为CDM 的重量级竞争对手还有很长的路要走，而且它的发展显然因人数太少而受到阻碍。麦高说，这意味着进展将会缓慢，但这一新兴理论的成功至少应该引起研究主流暗物质模型的天文学家的警惕。 《天文湿刻》木府出品微信公众号：astronomycn 编译：尹校对：DAIKIN 排版：Hulu 后台：朱晨宇

来源：Shepherd Astronomy 编辑：K.Collider

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