子彈星系團。（圖片來源：NASA/CXC/M. Weiss）
近一個世紀以來，科學家一直在尋找「暗物質」，宇宙的很大一部分都被認為是由這種隱形且未知的物質構成的。他們堅持這個理論的原因是暗物質可以解釋星系不符合基礎物理法則的現象。然而，對暗物質的搜尋一直未果。
但有其他的方法可以解釋為什麼星系的行為如此奇怪。我們發表在《宇宙學與天體粒子物理雜誌》上的新研究表明，只要根據星系巨大的尺度稍稍調整萬有引力定律，或許我們根本就不需要暗物質。
瑞士天文學家Fritz Zwicky在二十世紀三十年代發現，星系團的速度太大了，以至於無法解釋我們所能觀察到的物質的量。其他研究組的天文學家也都觀察到了類似的現象，比如說當時正在研究仙女座星系遠端恆星運動的Vera Rubin和Kent Ford。
遠離中心的恆星速度應該會減小，畢竟它們受到的引力也較小。根據牛頓第二定律，在軌道上運動的物體受到的引力等於其質量和加速度的乘積， 而加速度和速度有關。
三角座螺旋星系的旋轉曲線。（圖片來源：Mario De Leo/wikipedia, CC BY-SA）
然而，測量結果顯示速度並沒有隨距離增加而降低。這讓科學家們相信，一定有一種不可見的物質產生了更強的引力，導致了更快的恆星運動。在過去幾十年裡，無數大尺度的引力系統探測器都表明了同樣的問題。
暗物質之外
解開暗物質究竟是什麼的謎團還是現代基礎物理的終極挑戰。核心問題在於它是否作為一種新的物質存在並成為缺失質量的來源，又或僅僅是因為萬有引力定律在長距離尺度下完全不同。
雖然第一種解釋看起來非常誘人，但我們實際上並沒有找到任何暗物質。並且，儘管在太陽系內，萬有引力定律得到了很好的驗證，但我們在把這個理論推用到至少十億倍大的尺度時還是要謹慎。
一個眾所周知的不包括暗物質的理論是修正後的牛頓動力學（MOND），該理論表示當引力很弱時，牛頓萬有引力定律將變得不規則——星系邊緣處就是這樣。雖然這個理論在很多方面都很成功，它還是沒有像包含了暗物質的宇宙標準模型一樣通過嚴格的考驗。
MOND的主要問題是它並不能同時解釋星系內和星系團內的質量缺失問題。基於對相撞星系群的觀察，還有另一個反駁MOND的論據。碰撞時，兩個星系各自的恆星擦身而過，但氣體星雲卻聚在一起並被留在了後面。其中一個著名的例子就是子彈星系團，它由兩個碰撞的星系團組成。觀察表明在這些天體活動中暗物質會緊跟著總質量比氣體星雲小的恆星。MOND不能解釋這一點。
宇宙氣泡
讓我們換一種方法調整引力法則。我們假設一種叫做Vainshtein 篩選（Vainshtein screening）的現象在發揮作用。這暗示著空間中每一個足夠緊密的物體都能在周圍產生一個隱形球體，它將決定物理法則如何隨著距離增加而變化。這個球體只是一個幫助我們理解不同大小尺度的理論模型，而不是真正的物理膜。
根據我們的理論，這個氣泡內，我們所見到的太陽系內的普通牛頓萬有引力定律對與中心大質量物體作用的物體成立。氣泡之外，該理論表明中心物體的引力會大大增強——儘管沒有更多的質量存在。
氣泡的大小與中心物體的質量成正比。如果說一個星系內這個氣泡的半徑有幾千光年——一個能觀察到暗物質的典型距離——我們的太陽所對應的氣泡半徑是50000天文單位（一天文單位的長度相當於太陽與地球之間的距離）。然而，太陽系的邊緣只有50天文單位。換句話說，我們無法觀察到離太陽足夠遠的物體，來檢驗太陽對它的引力與太陽對地球的引力是否不同。只有從很遠的距離觀察整個系統才能讓我們實現這一點。
出乎意料的是，牛頓氣泡以一種特定的方式隨質量增長。這意味著萬有引力定律在不同的長度制度下分別在星系和星系團中改變，因此能夠同時解釋兩種系統中顯然應當存在的暗物質。而MOND就無法解釋這一點。另外，這也與子彈星系團的觀察相符。這是因為星雲碰撞留下的氣體還不足以在周圍生成一個氣泡——也就是說只有在更緊密的恆星周圍才有暗物質的痕跡。MOND對恆星和氣體星雲不作區分。
令我們吃驚的是，我們的理論比愛因斯坦允許暗物質存在的廣義相對論能更好地解釋星系中的恆星速度。所以也許外面存在的暗物質比我們想像得少——甚至一點都不存在。
星系周圍的引力透鏡幻影。（圖片來源：NASA）
我們計劃進一步調查這有趣的現象。它還有可能是造成星系運動多樣性的原因，而我們也得到了這方面更多的證據。
根據廣義相對論，任何具有大質量的物體都能扭曲周圍的時空。所以，光線會明顯地繞過這個物體，而不是以一條直線通過——這種現象被稱為引力透鏡。我們的理論可以通過測量個體星系的引力光偏轉來進行檢驗，這是一項十分有趣的測試，儘管它很難測量。我們的理論預測十分緊密的星系會導致更強的光偏轉，而令人興奮的是，當有一天我們測量出結果時，它就會證明我們的理論是否正確。