原標(biāo)題：宇宙中的暗物質(zhì)真存在嗎？ 解讀暗物質(zhì)
許多科學(xué)人士認(rèn)為宇宙不僅是由卡爾·薩根所說(shuō)的“數(shù)十億億”的星系，而是大量的隱形物質(zhì)，被稱(chēng)為暗物質(zhì)。這種奇怪的物質(zhì)被認(rèn)為是一種新的亞原子粒子，它不通過(guò)電磁相互作用，也沒(méi)有強(qiáng)核力和弱核力。暗物質(zhì)在宇宙中的分布也比普通原子的五倍還要多。
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然而現(xiàn)在情況是暗物質(zhì)的存在還沒(méi)有得到直接的證實(shí)。暗物質(zhì)仍然是一個(gè)假設(shè)，盡管它很受支持。任何科學(xué)理論都必須作出預(yù)測(cè)，如果它是正確的，那么你所做的測(cè)量應(yīng)該與預(yù)測(cè)一致。暗物質(zhì)也是如此。例如：暗物質(zhì)理論預(yù)言了星系旋轉(zhuǎn)的速度。但是到目前為止，在低質(zhì)量星系中心的詳細(xì)暗物質(zhì)分布的測(cè)量與這些預(yù)言并不一致有些許差異。
最近的計(jì)算改變了這一點(diǎn)，計(jì)算有助于解決塔利-費(fèi)舍爾關(guān)系的難題，其中比較明顯的還是普通星系的旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系。在非常簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)螺旋星系的質(zhì)量越大（因此更明亮），自旋的速度就越快。
但是如果暗物質(zhì)存在，星系的“大小”應(yīng)該不僅由它的可見(jiàn)物質(zhì)（普通物質(zhì)）決定，還取決于它所包含的暗物質(zhì)。應(yīng)有一方程式來(lái)描述暗物質(zhì)數(shù)量的缺失，塔利-費(fèi)舍爾關(guān)系也不應(yīng)該存在。然而到現(xiàn)在它確實(shí)如此，很難想像將這種關(guān)系與現(xiàn)有的暗物質(zhì)理論相協(xié)調(diào)。
暗物質(zhì)的起源
第一個(gè)跡象，有可能是一個(gè)類(lèi)似暗物質(zhì)需要回到1932年。荷蘭天文學(xué)家Jan Oort測(cè)量銀河系中星星的軌道速度時(shí)發(fā)現(xiàn)它們移動(dòng)太快，不能被觀察到的星系的質(zhì)量所解釋。
維拉魯賓和肯特福特發(fā)現(xiàn)星系邊緣的恒星，如仙女座星系（如下圖所示），旅行速度超過(guò)預(yù)期。暗物質(zhì)可以幫助解釋這些星系旋轉(zhuǎn)差異。
圖片版權(quán)：NASA/Swift/Stefan Immler (GSFC) and Erin Grand (UMCP)
然而尋找暗物質(zhì)正式開(kāi)始近半個(gè)世紀(jì)之后，在1970年代天文學(xué)家 維拉·魯賓 和儀器制造商的肯特福特測(cè)量鄰近星系的旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)星系的恒星的距離中心。 他們比較標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量與預(yù)測(cè)牛頓引力理論
他們的母星系恒星的軌道近圓形，路徑和重力是那些軌道束縛天體的力量。牛頓方程的預(yù)測(cè)，讓天體在一個(gè)圓形路徑移動(dòng)力，F(xiàn)（圓形）應(yīng)等于力在星的重力，F(xiàn)（重力），不然天體會(huì)飛到太空中或落在銀河系的中心。
靠近星系中心，魯賓和福特發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)（圓形）大致等于F（重力），如預(yù)期的那樣。但遠(yuǎn)離星系的中心，方程式的兩邊并不相等。雖然星系和星系的細(xì)節(jié)各不相同，但他們的觀察基本上是普遍的。
如此戲劇性的差異需要解釋?zhuān)谛窍抵行母浇�，魯賓和福特的測(cè)量意味著理論是有效的，而在較大的軌道距離上的差異意味著某種東西正在發(fā)揮著某種作用，現(xiàn)有的理論無(wú)法解釋。他們的研究表明，要么我們不理解慣性是如何工作的（例如F（圓形）），要么我們不理解重力是如何工作的（例如F（重力））。第三種可能性是等號(hào)是錯(cuò)誤的，這意味著方程還沒(méi)有包含其他的力或效應(yīng)，這也是 的可能。
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圖注：當(dāng)宇宙大約30億年時(shí)，暗物質(zhì)的分布從星系形成的數(shù)值模擬中獲得。左面板顯示暗物質(zhì)顆粒的連續(xù)分布，而右側(cè)面板突出了用于形成星爆星系的暗物質(zhì)光環(huán)，其最小暗物質(zhì)光暈質(zhì)量為太陽(yáng)的三千億倍。
解釋差異
在魯賓和福特的研究發(fā)表40年之后，科學(xué)家已經(jīng)測(cè)試了許多理論來(lái)解釋他們發(fā)現(xiàn)銀河系旋轉(zhuǎn)的差異。物理學(xué)家米爾格提出了一個(gè)修正的慣性稱(chēng)之為“修改牛頓動(dòng)力學(xué)”。他假定：在其最初的形式非常低的加速度下，牛頓的方程F＝ma 便失效了。
其他物理學(xué)家提出修改重力定律。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論在這里并沒(méi)有多大用處，因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域，愛(ài)因斯坦和牛頓的預(yù)言基本上是相同的。而量子重力理論，試圖用亞原子粒子來(lái)描述重力，不能解釋同樣的原因。然而有引力理論對(duì)與牛頓重力不同的銀河系或銀河系外尺度進(jìn)行預(yù)測(cè)。
宇宙的大部分是由我們看不到的物質(zhì)所構(gòu)成的。圖片版權(quán)：agsandrew / Shutterstock.com
然后有人預(yù)測(cè)，存在新的自然基本力。這些想法都聚集在名為“第五力”意味著除了引力、電磁力和強(qiáng)、弱核力還有新的力。最后還有暗物質(zhì)理論：一種根本不與光（電磁輻射）相互作用的物質(zhì)，卻在宇宙中”施加“引力或表現(xiàn)出引力的特性。
如果星系旋轉(zhuǎn)測(cè)量是我們所擁有的 數(shù)據(jù)，可能難以在這些不同的理論之間進(jìn)行選擇。畢竟有可能調(diào)整每個(gè)理論來(lái)解釋星系旋轉(zhuǎn)問(wèn)題。但現(xiàn)在有許多不同現(xiàn)象的觀察可以幫助確定最合理的理論。
其一是星系團(tuán)內(nèi)星系的速度。星系移動(dòng)得太快，星系團(tuán)無(wú)法保持在一起。另一個(gè)觀測(cè)是來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光。對(duì)這些非常遙遠(yuǎn)的古代星系的觀測(cè)表明，它們的光經(jīng)過(guò)了附近星系團(tuán)的引力場(chǎng)而扭曲了。也有對(duì)宇宙微波背景輻射非均勻性研究。所有這些測(cè)量（還有更多）也必須用或新 的理論來(lái)解釋銀河系自轉(zhuǎn)速度。
暗物質(zhì)的未解之謎
暗物理理論在預(yù)測(cè)這些測(cè)量中已經(jīng)做了很多合理的工作，這就是為什么它在科學(xué)界受到重視。但暗物質(zhì)仍然是一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的模型。迄今存在的所有證據(jù)是間接的。如果暗物質(zhì)存在，我們應(yīng)該能夠直接觀察暗物質(zhì)通過(guò)地球的相互作用，我們可能能夠在大粒子加速器（如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）中產(chǎn)生暗物質(zhì)。然而這兩種方法都沒(méi)有成功。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的復(fù)合圖像由3D藝術(shù)家創(chuàng)建。光束管表示為透明管，反向旋轉(zhuǎn)質(zhì)子束以紅色和藍(lán)色表示。圖片版權(quán)：Daniel Dominguez / CERN
此外，暗物質(zhì)應(yīng)該與所有人預(yù)測(cè)一致，而不僅僅是許多天文觀測(cè)。盡管暗物質(zhì)是迄今為止最成功的模型，但它并不完全成功。暗物質(zhì)模型的預(yù)測(cè)，像銀河系這樣的大星系周?chē)陌l(wèi)星星系比實(shí)際探測(cè)的要多。盡管發(fā)現(xiàn)了更多的矮星系，但與暗物質(zhì)的預(yù)測(cè)相比還是太少了。
另一個(gè)大的，開(kāi)放的問(wèn)題是如何影響星系中的的暗物質(zhì)及轉(zhuǎn)速的亮度之間的關(guān)系。這種關(guān)系是第一次在1977年被發(fā)現(xiàn)，叫做塔利-費(fèi)希爾關(guān)系，多次表明星系的可見(jiàn)物質(zhì)與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。
暗物質(zhì)的艱難挑戰(zhàn)
塔利-費(fèi)希爾（Tully Fisher）關(guān)系是暗物質(zhì)模型的一個(gè)艱難的挑戰(zhàn)。一個(gè)星系的旋轉(zhuǎn)是由它所包含的總物質(zhì)的量。如果暗物質(zhì)真的存在，那么物質(zhì)的總量是普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的總和。
但是現(xiàn)有的暗物質(zhì)理論預(yù)言任何隨機(jī)星系都可能包含暗物質(zhì)的較大或更小的部分。因此當(dāng)測(cè)量可見(jiàn)質(zhì)量時(shí)，可能會(huì)丟失總質(zhì)量的一大塊�？梢�(jiàn)質(zhì)量應(yīng)該是銀河系總質(zhì)量（因而是旋轉(zhuǎn)速度）的一個(gè)很差的預(yù)測(cè)因子。星系的質(zhì)量可能與可見(jiàn)（普通）質(zhì)量相似，或者可能更大。（普通質(zhì)量即指普通可見(jiàn)物質(zhì)的質(zhì)量）
因此沒(méi)有理由認(rèn)為可見(jiàn)的（普通物質(zhì)）質(zhì)量應(yīng)該是一個(gè)好的星系的旋轉(zhuǎn)速度的預(yù)測(cè)。然而它是。
事實(shí)上在今年發(fā)表的一篇論文中，暗物質(zhì)的懷疑論者用來(lái)反駁各種星系的暗物質(zhì)假說(shuō)和一個(gè)修改版的慣性塔利-費(fèi)希爾（Tully Fisher）關(guān)系的測(cè)量。
更適合的暗物質(zhì)理論
然而在六月發(fā)布的一篇論文中，科學(xué)家們給出了暗物質(zhì)模型的顯著提升。不僅新作品再現(xiàn)了先前的預(yù)測(cè)暗物質(zhì)模型的成功，它也再現(xiàn)了塔利-費(fèi)希爾（Tully Fisher）關(guān)系。
新論文是一個(gè)“半分析”模型，這意味著它是分析方程和模擬的組合。它模擬了早期宇宙中暗物質(zhì)的聚集，可能已經(jīng)完成了星系形成，但也包括普通物質(zhì)的相互作用，包括普通物質(zhì)由于其引力拉動(dòng)，星形成和加熱而被稱(chēng)為另一個(gè)天體通過(guò)星光和超新星的氣體。通過(guò)仔細(xì)調(diào)整參數(shù)，研究人員能夠更好地匹配預(yù)測(cè)的塔利-費(fèi)希爾（Tully Fisher）關(guān)系。計(jì)算的關(guān)鍵是預(yù)測(cè)的旋轉(zhuǎn)速度包括了重子與暗物質(zhì)比例的實(shí)際值。
新計(jì)算是驗(yàn)證暗物質(zhì)模型的重要步驟，但是這不是最后的。任何成功的理論都應(yīng)該同意所有測(cè)量。不同意意味著理論或數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，或至少是不完整的。預(yù)測(cè)和測(cè)量之間的差異仍然存在（例如大衛(wèi)星周?chē)男⌒托l(wèi)星星系數(shù)量），但是這篇新的論文使我們有信心在今后的工作將解決這些剩余的差異
暗物質(zhì)仍然是宇宙結(jié)構(gòu)的有力預(yù)測(cè)理論。目前它雖不完整，它需要通過(guò)發(fā)現(xiàn)實(shí)際的暗物質(zhì)粒子進(jìn)行驗(yàn)證。所以未來(lái)仍然很多有工作要做。
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