暗物质不存在?!无暗物质宇宙模型突破最大障碍( 二 )


除此之外 , MOND理论还有一些细节问题 , 比如它难以解释一些星系中的引力透镜问题 。 根据广义相对论 , 大质量物质的引力可以偏折光线 , 大量物质聚集的地方可以形成引力透镜 。 但是在以子弹星系为首的一系列星系中 , 天文学家找不到一些引力透镜对应的质量 , 只能用不可见的暗物质解释 。 不过2004年 , 曾有人提出过一种相对论版MOND理论 , 该模型可以解释这种“凭空”出现的引力透镜 。 但是它仍然没能克服那个最关键的问题:解释CMB的数据 。

暗物质不存在?!无暗物质宇宙模型突破最大障碍

文章图片
图4/7
蓝色部分是由引力透镜计算得出的暗物质分布(图片来源:NASA/CXC/M 。Weiss)
就连本次论文作者斯科迪斯也承认:“如果这个理论不能做到这一点(重现CMB数据) , 那就根本不值得进一步考虑 。 ”而近日在《物理评论快报》上发表的新版MOND模型 , 其最大的意义就是用类似MOND的理论解释了CMB 。
补全的理论
新版MOND理论假设有两个场弥漫在整个宇宙中 , 它们的共同作用导致了额外的引力 。 其中一个场是像希格斯场一样的标量场;另一个则是磁场一样的矢量场 , 空间中每一点都具有特定的方向 。
斯科迪斯和兹沃什尼克设置了理论的参数 , 让宇宙早期的引力修正场能产生与暗物质类似的效应 , 这样就能保证今天观测到的CMB数据能被重现 。 这两个场会随着宇宙时间的推移而演化 , 最终引力会变成原本MOND理论描述的那样 。
美国宇宙学家斯泰西·麦高(Stacy McGaugh)说:“这是一项革命性的成果 , 过去几十年来 , 因为MOND理论无法实现斯科迪斯和兹沃什尼克今天做到的事 , 人们很大程度上都忽略了这种理论 。 ”
一旦新版MOND模型解决了CMB的问题 , 它的优势立马就凸显出来 。 美国天文学家布伦特·塔利(Brent Tully)和理查德·费希尔(Richard Fisher)在1977年发表的一篇论文中 , 提出了一个经验公式 , 描述了旋涡星系的光度与旋转曲线外侧速度之间的关系 。 很容易就能从这个公式得出“旋涡星系所含重子物质和它在较远距离上的自转速度的4次方成正比”这一关系 , 这被称为重子塔利-费希尔关系(baryonic Tully-Fisher relation , BTFR) 。 而MOND理论恰巧就能精确导出BTFR 。

暗物质不存在?!无暗物质宇宙模型突破最大障碍

文章图片
图5/7
塔利-费希尔关系 , 与重子塔利-费希尔关系类似(图片来源:Wikipedia)
暗物质则完全无法预测这种关系 。 如果想在ΛCDM模型的框架内重现BTFR , 天文学家必须从宇宙早期开始模拟星系 , 模拟中的星系在经过一百多亿年的演化后 , 或许能重现BTFR 。 但如果想严格重现BTFR , 还要在模拟中加入非常严格的限制 , 并对旋涡星系的演化机制进行不那么严谨的修改 。 直到现在 , 坚持ΛCDM模型的宇宙学家还没能通过模拟完美重现BTFR 。
缺席的暗物质
在类似MOND的理论重回人们的视野之前 , 暗物质已经在宇宙学领域充当了30多年的主角 。 美国宇宙学家戴维·斯佩奇(David Sperge)表示新的MOND模型太过复杂 , 认为新的相对论的MOND模型只有当“暗物质假说的形式非常复杂时”才值得考虑 。 学界对ΛCDM模型充满信心 , 2014年版的《粒子物理学评论》中写道:“(宇宙学的)统一模型已经建立起来了 , 似乎没剩下多少空间能对这个范式进行大幅度的修改 。 ”这一“flag”满满的言论很容易让人想到一个多世纪前的“两片乌云” 。 这一次 , 类似的情况会再次上演吗?或者说 , 物理学家是否已经走了30多年弯路?

特别声明:本站内容均来自网友提供或互联网,仅供参考,请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。