理论物理学

暗物质真的存在吗?

90%的材料将消失。牛顿定律是否应该改变,而不是假设存在一个神秘的暗物质?

莫德海·米尔格罗姆 科学档案N°45
本文仅供《 对于科学》的订户使用
在现代天文学的所有难题中,暗物质的性质是最令人困扰的事物之一。大多数天文学家认为,大量未知的物质渗透到宇宙中。就像木偶戏的观众从他们看到的隐藏操纵器的存在推断出的一样,宇宙学家观察到可见物质会莫名其妙地运动,并得出结论,看不见物质必须吸引弦。然而,尽管有种种烦恼,但这种材料仍然拒绝从阴影中浮现出来。少数天文学家对它的存在提出质疑,而其他人则开始认真考虑这种可能性。

暗物质问题是星系质量与最大宇宙结构之间存在分歧的结果。这些系统的组成部分可以移动,但不会逃脱,因为它们被系统其余部分的重力吸引着。物理定律可以预测需要多少质量来抵消运动,从而防止系统分散。 las,观察到的总质量明显低于该值(请参阅David Cline的文章)!

这种质量差异是普遍的,它出现在几乎所有系统中,从矮星系到正常星系,都在像巨大的超级团簇这样的星系群的水平上。此外,整个宇宙也感到需要其他物质。早在星系形成之前,宇宙就充满了原子核和亚原子粒子的等离子体。辐射使该等离子体充满,并使其保持均匀和光滑的状态。密度波动(未来星系)只能在等离子体变成中性气体时形成并发展,而中性气体与辐射的相互作用较小。我们知道这种中和的时间(称为重组)何时发生,以及当时密度波动的重要性如何(请参见Simon Prunet的文章)。但是,没有足够的时间(大约380,000年)使这些波动成为我们观察到的星系。暗物质可以帮助我们解决这个问题。从定义上讲是中性的,它不会被辐射均质化。而且,它从开始就收缩,然后有足够的时间形成像星系一样大的物体。

我们当前对宇宙的看法所需的一些额外质量将是称为暗物质的普通物质,但它将发出的辐射太少而无法被检测到。这个暗物质可能是天文学家所见事物的十倍,但是仍然不够。当宇宙学家谈论暗物质时,他们指的是一种具有特殊意义的奇异物质。更令人困惑的是,他们还怀疑暗能量的存在(请参阅亚当·里斯(Adam Riess)的文章),暗能量是一种单独的能量,被认为是造成宇宙膨胀加速的原因,正常物质和暗物质都无法解释的现象。

总体而言,天文学家估计当前宇宙的能量分解如下:4%的普通(或重子)物质,其中约十分之一以气体和恒星的形式出现(其余90%将由暗物质组成);三分之一形式未知的暗物质;三分之二的暗能量,其性质甚至还不为人所知。

如果我们遵守公认的物理定律,则暗物质是解释多重质量差异的唯一解释。但是,如果我们同意脱离这些经典法律,那么我们就可以没有暗物质。让我们看看如何?

通过使用牛顿物理学的独特公式,银河系内的运动反映出质量发散的各种表现。该公式结合了两个基本定律:牛顿的万有引力定律(两个物体之间的重力与两个质量成正比,与它们的距离的平方成反比)和牛顿的第二定律(该力与两个质量成正比)。加速度)。物体在轨道上的加速度取决于轨道的速度和大小。通过综合所有这些,我们推论出轨道质量,速度和大小之间的关系。

一个黑暗的故事

这些定律准确地反映了弹道导弹的飞行或行星的运动,但是从未将它们外推到星系上得到直接验证。难道是他们错了吗?如果这些法律不再适用,则对其进行调整可能会使图像中的暗物质消失。

这样的修改并非没有先例。物理学的两个根本性修订已经是必要的。最初的变化完善了牛顿动力学,产生了相对论,既是受限制的理论(改变了牛顿第二定律),也有通论(修改了定律)。引力)。

古典物理学的第二个变化导致了量子理论,它解释了在某些条件下微观系统和宏观系统的行为。这两个修改与暗物质问题没有直接关系,因为与银河动力学有关的大多数现象都不涉及相对论或量子物理学。

牛顿动力学的两个公认的扩展发生在极端条件下,例如速度(相对论)或高重力(广义相对论)。那么,银河系的哪些属性是如此极端,以至于它们又需要进行另一种修改?首先想到的是尺寸。重力可能与牛顿定律偏离很大距离。早在1923年,英国天文学家詹姆士·简斯(James Jeans)提出,当人们将自己置于银河系尺度上时,就将引力定律对距离的修正。但是,他试图解释的离群值与暗物质无关,后来遭到驳斥。

1963年,当时在罗马大学的Arrigo Finzi提出了对重力和距离之间关系的新修改,作为对星团中暗物质问题的一种可能的解决方案。在1980年代初期,我证明了重力与距离之间关系的这种变化与观测结果是不相容的。

在系统地研究了各种属性之后,我谴责了这种加速。银河系的星系比我们的日常经验要弱几个数量级:太阳系向银河系中心的加速度(约10 –10 比每秒航天飞机向地球中心的加速度(大约每秒10米)要慢1000亿倍。大约20年前,我提议对牛顿第二定律进行修改,以在第二弱定律时改变力与加速度之间的关系。这是一个想法的起点 世界 (来自英语 修正的牛顿动力学,或修改后的牛顿动力学)。

蒙德 需要一个具有加速度尺寸的新通用常数,名为 a0。当加速度远大于 a0,牛顿第二定律适用。相反,当加速度比 a0,牛顿第二定律被修改:此时,力与加速度的平方成正比。在这样的框架中,赋予给定加速度所需的力总是小于牛顿动力学中的力。为了说明在星系中观察到的加速度, 世界 预测比牛顿动力学更小的力,因此也更小的质量,引力源 (见图1)。这样我们可以摆脱暗物质。

在星系的外围,由于重力的加速度随着距离的增加而降低,并在低于 a0。超过此阈值的确切位置取决于的值 a0和质量。后者越大,效果越好 世界 开始让自己感到遥不可及。对于的价值 a数据强加0,对于典型的星系,过渡距离中心数万光年。对于一个典型星系团的质量来说,这发生在离中心几百万光年的地方。

假设星系的大部分质量都包含在一定半径内。根据牛顿动力学,超出此半径,圆形轨道中物体的速度应随着半径的增加而降低。这就是太阳系中发生的大部分质量都包含在太阳中的情况:行星的轨道速度随距离而降低。另一方面,当 世界 适用,情况就完全不同了。在距星系中心足够大的距离处,轨道速度应停止减小并达到恒定值。这个恒定速度将与银河系质量的四次方成正比。

提速

观察证实了这一预测。螺旋星系的旋转速度稳定在一个恒定值,而不是随着距银河中心的距离增加而减小。此外,基于观察到的相关性,称为塔利-费舍尔关系 (见图4),这个恒定速度与银河系亮度的四次方成正比。这种关系也由 世界 谁的 关键假设是,光度实际上与质量成正比。最近的观察结果支持这一假设:速度与质量之间的相关性甚至比速度与光度之间的相关性更为完美。

当我提出假设时,这些规律已经开始出现 世界,但它还预测了其他当时无法测试的效果。一个例子就是弱光星系的性质,恒星团聚体是如此之薄以至于几乎看不见。普通星系的加速度超过 a0朝向中心且小于 a在外围为0时,低光星系的加速度到处都小于 a0.据 世界,应该在整个星系中观察到质量发散。当时,天文学家只知道少数弱光星系,并且没有进行任何详细的分析。此后,他们发现这些星系的质量差异确实比常规星系大得多。 世界 正确地预料到了这一点,并且还预料到了这种差距的严重性。

另一个成功涉及银河旋转曲线的形状,也就是说,轨道速度根据到中心的距离而变化。 (见图2)。直到1980年代末,天文学家才能够精确地测量这些变化并将其与预测结果进行比较: 世界 很棒 (见图4)。这些比较需要将亮度转换为质量的参数。必须为每个星系调整的该参数的值与理论一致。相反,在暗物质理论的框架内,每个星系的比较至少需要两个额外的可调参数:核心半径和总暗物质质量。尽管有这种灵活性,但目前的暗物质理论并不能解释旋转数据 世界.

在其他星系系统中,当我们研究质量的差异(将理论质量与从观测值推导出的质量进行比较)作为系统典型加速度的函数时,该图与以下公式的预测非常吻合 世界 (见图3)。唯一的例外是富含银河系的星团。聚类显示出5到10的质量散度,这可以通过以下方式解释: 世界。另一方面,当我们关注这些集群的内部时,仍然存在分歧: 世界 不能消除所有看不见的物质。也许这是应该受到质疑的理论,但也有可能观察结果不完整。不要与暗物质相混淆的大量暗物质(以暗淡恒星或温暖气体形式的普通物质)可能会潜伏在这些系统中。

理想的是确认 世界 通过物理实验以及天文观测。不幸的是,不可能进行实验室测试,因为在地球上或太阳系附近,背景中总是存在强烈的加速度,从而掩盖了 世界。同样,很难测试 世界 通过研究行星的运动:围绕太阳公转的物体的加速度不会降低到 a比我们离太阳至少离地球10,000倍远时的距离为0,也就是说,它远远超出了冥王星的轨道。

正如普朗克常数在量子物理学中扮演着各种角色一样, a0在以下方面的预测中以几种方式出现 世界 用于银河系。该理论成功的部分原因是相同的价值(约10 –10 米/秒平方)适合各种任务。

理论可能有多有效 世界 尽管如此,目前仍然存在现象学理论 特设也就是说,它既不是出于基本原则,也不是基于基本原则。它的产生是由于直接需要描述和解释一整套观测,这不仅要回顾量子力学的发展,而且还要回顾暗物质概念的发展……以及 世界 有限,因为它不能应用于我们所知道的所有相关现象。

主要原因是 世界 尚未被纳入遵循相对论,特殊或广义相对论的理论中。合并是不可能的,或者只是时间问题。

的不足之处 世界

不属于以下范围的现象 世界 一方面是那些加速度低于 a0(因此 世界 必须发挥作用),另一方面,速度或引力是极端的(换句话说,相对论有发言权)。穿过银河系引力场的光符合两个标准。 世界 不能解释这些运动,它们属于重力透镜领域。基于引力透镜效应的观测只能用与经典银河动力学观测得出的质量相同数量级的附加质量来解释,但目前尚不清楚 世界 可以解释两种情况下的质量差异。

整个宇宙是另一个系统 世界 和相对性。结果,宇宙学无法用 世界。这种无能为力扩展到有关宇宙新兴结构的问题。理论 世界 可以应用于已经脱离全球宇宙汤水的结构良好的系统,但是它不能描述银河系系统尚不明显的原始时代。

天文学家用类型理论研究了这些现象的模样 世界.

例如,荷兰格罗宁根Kapteyn天文研究所的Robert Sanders和以色列Technion技术研究所的Adi Nusser通过完成 世界 根据其他假设。但是,如果没有完善的基础理论,这些努力都无法产生令人信服的结果。

物理轨道

我们应该朝哪个方向寻找这一基本理论?的价值 a0可能会给我们一个提示。它对应于在整个宇宙的寿命中使身体从静止状态恢复为光速的加速度。换一种说法, a0大约等于两个重要常数的乘积:光速和哈勃常数(即宇宙的当前膨胀率)。它也接近于暗能量产生的加速度。如果不是一个简单的巧合,那么这种数值上的接近就可以告诉我们,宇宙学在某种程度上决定于局部物理定律(例如惯性原理)和万有引力定律)产生 世界或共同的媒介会影响宇宙学和局部物理学,而产生相同的痕迹。

世界 似乎表明惯性不是人体固有的属性,而是人体通过与整个宇宙的相互作用而获得的。这个想法是旧概念马赫原理的一部分,该原理将惯性归因于这种相互作用。

物理学提供了许多示例,其中粒子的有效惯性不是固有特性,而是由与基础介质的相互作用产生的。例如,固体中的电子有时会表现出其惯性已被其余固体大大改变的行为。真正的惯性可能会产生类似的影响吗?在这种情况下,哪种媒介会阻止加速并产生惯性?

简单而有趣的另一种可能性是:真空。根据量子理论,真空永远不会完全是空的,而是由所有形式能量的最小表示组成。真空与粒子的相互作用可能会导致物体的惯性。奇怪的是,宇宙学也用真空来解释暗能量(在其他解释中)。但是,我们仍然不知道真空是否可以完全引起惯性,或者它是否可以解释惯性 世界.

尽管许多宇宙学家认为 世界 优雅地再现了银河现象学,它并不构成基本真理。对于他们来说 世界 可以对我们在自然界中看到的东西进行有益而经济的总结,但是这些关系和规律性有一天会从暗物质范式的复杂性中浮现出来。例如,在2001年,芝加哥大学的Manoj Kaplighat和Michael Turner都声称其特征加速度类似于 a在暗物质模型中自然发生了0。根据他们的情况,这些模型预测星系周围特定类型暗物质晕的形成。

但是,我后来证明了这种情况是行不通的。 Kaplighat博士和Turner博士的工作基于近似值,与近似的暗物质光晕和暗物质行为的详细数值模拟不一致。在当前情况下,这些模拟不会重现现象学的任何方面 世界。此外,他们所依赖的结果仅再现了成功的一小部分。 世界. 世界 也许符合暗物质的范式,但又是另一种方式。未来将决定。

世界 是暗物质的最强替代品。观察并没有将其边缘化,反而似乎以牺牲其主要竞争对手为代价而青睐它。尽管宇宙学家有权提出质疑,但是在辩论结束之前,人们应该保持开放的态度。

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

我们的最新出版物

回到顶部

已经有帐号了?

身份证明

标识自己可以访问您的内容

看到

还没有帐户 ?

注册

注册以激活您的订阅或订单问题。

创建我的账户