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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。（图片来源：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。

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。

BY:Indranil Banik

FY: 静狸

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来源: 天文在线