新的宇宙自然规律，暗物质遭遇挑战

在太阳系中，行星的运行遵循着一条非常简单的规则：距离太阳越远的行星，太阳对其施加的引力作用越弱，于是行星的公转速度也就比较慢，因此它们需要更久的时间才能完成一圈公转。同样的逻辑也应当适用于恒星围绕星系中心公转的情况，也就是说那些距离星系中央比较远的恒星，由于星系中央对其施加的引力影响较弱，因此它们的公转速度应该会慢一些。因此，我们预期看到的是离星系中央越近的恒星运动的速度应该比星系边缘的恒星快的多。

螺旋星系M33的自转曲线（黄色和蓝色点），以及根据可见物质分布（白色虚线）预测的自转曲线。它们之间的差异可以通过假定星系被暗物质晕包围来解释。（© Wikipedia）

但是，到了1970年代后期，天文学家Vera Rubin和Albert Bosma都独立的发现螺旋星系以接近恒定的速度旋转着：在星系内的恒星和气体并不随着距离的增加而减少，而是保持恒定的速度。考虑到所有可见物质的分布，这明显违反了牛顿定律。而运动速度如此快的外侧恒星应该早就飞走才对，肯定有某些我们看不到的物质提供了额外的引力吸引，阻止了外侧恒星飞走。因此星系自转曲线成为了暗物质存在的重要依据之一。

星系旋转的模拟。左边：没有暗物质情况；右边：存在暗物质，有平坦的自转曲线。（© Wikipedia）

但是一项对星系自转曲线的最新研究发现了一个新的关联，而这可能意味着暗物质根本就不存在。

星系内恒星的轨道速度取决于星系质量的引力的吸引。一个恒星被星系中心的引力吸引的越厉害，它的径向加速度就越大，那么它就需要运动的越快来克服引力的吸引。好比太阳系内的行星，水星离太阳最近，因此它的径向加速度越大，而远离太阳的冥王星的径向加速度则很小。根据暗物质的模型，一个星系的质量并不全是集中在它的中心的。的确，多数可见物质的确聚集在星系中心，但是一个星系其实是被一个暗物质晕（Halo）所包围着。

暗物质模型。银河系被暗物质晕所包围。

有许多其它的证据也支持暗物质的存在，但是，暗物质并不是唯一一个解释在宇宙中观测到的引力现象。另一个想法是修正引力理论本身，并且有很多人已经在尝试构建这样的理论。比如“修正牛顿引力理论”（MOND），这是众多替代暗物质最广为人知的理论。

1981年，Moti Milgrom提出了MOND来解释星系自转曲线。在这个模型中，一颗恒星的径向加速度跟牛顿和广义相对论预言的有一点点偏离。这个区别在太阳系内几乎可以被忽略，而在星系的尺度下，这个区别则会被扩大。Milgrom发现，只要将加速度稍微改变一点点，就可以解释星系的自转曲线。虽然MOND在解释星系的自转曲线方面很成功，但它无法描述其它的效应，比如大尺度的星系团以及对撞星系的物质分布。基于此，暗物质模型一直被天文物理学家所青睐。（关于MOND和暗物质之间的竞争的来龙去脉可以详细查看《或许暗物质并不存在？》）但是关于恒星的径向加速度的新研究让MOND获得了新生。

Stacy McGaugh带领的一个团队详细研究了153个螺旋和不规则星系。这些星系包罗万象：从大型星系到矮星系；有一些有巨大的中央隆起，有一些则完全没有；有些则大部分都是恒星，有些则由气体主导 。该团队计算了每一个星系内不同距离下的径向加速度。接着他们把结果与星系内可见物质（重子物质）的分布预测的重力加速度相比较。结果显示了这两者之间有很强的关联。当重力加速度越强，径向加速度也越强，反之亦然。这个结果有趣的地方在于，它适用于各种不同的星系。不管可见物质是否大量聚集在星系中央或者完全没有，这个关系都适用。当然，这个新发现完全是一个纯粹的经验关系，所以还没有理论支持。

径向和重力加速度之间的关联相当强。（© McGaugh）

不过，在发表的论文中（文献【1】），作者提供了三个可能的解释：

1. 这或许是星系形成的最后产物。目前还不知道具体是怎么发生的，因为关于星系演化的一些方面我们还无法完全理解。

2. 星系内的暗物质分布跟重子物质分布有关。但这就需要新的暗物质物理，以解释暗物质与普通物质如何以相同的方式聚集成团。

3. 最后，或许是最吸引人的想法，那就是我们建立新的动力学定律，并不需要暗物质的存在。

径向加速度与质量分布的紧密关联强烈暗示着重子物质是加速度的来源。这样的一种关系与当前的暗物质模型矛盾，但完全是MOND模型可以预测的。如果这个结果能够被复制，那么暗物质想要保留它的地位就必须为此提供解释。但对于MOND的挑战也刚刚开始，因为它完全无法解释星系团的性质。（对MOND所面临的挑战，有兴趣的读者可参考文献【2】）

最后，还有一个非常有意思的新理论：Justin Khoury提出的暗物质的超流体态。该理论统一了MOND在星系尺度上的成功，以及ΛCDM在宇宙学尺度的胜利。暗物质和MOND或许有一个共同的来源，它们只是同一种基本物质的不同状态。有兴趣的读者可以参考文献【3】。

参考文献：

【1】Stacy McGaugh, et al. The Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies. arXiv:1609.05917 (2016)

【2】Benoit Famaey & Stacy McGaugh, Challenges for ΛCDM and MOND, arXiv:1301.0623 (2013)

【3】Justin Khoury, Dark Matter Superfluidity, arXiv:1605.08443

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