改良牛頓力學?新的模擬提出暗物質或並不存在

2021-01-08 天文通晴天鍾

一個新的計算機模擬可以在沒有暗物質的情況下形成星系,為一個存在爭議的宇宙理論支持者提供依據,這個理論認為暗物質並不存在。

天文學家模擬了星系的形成過程,但沒有使用括暗物質,一些人認為這是一個有爭議的宇宙模型---- 改良牛頓力學模型的勝利。 圖中,淺色的點顯示年輕恆星的形成。(來源:AG Kroupa/Uni Bonn)

有史以來第一次,一群宇宙學家在計算機中不適用任何暗物質創造了虛擬星系。暗物質的反對者認為這是一個有爭議的模型的勝利,這個模型被稱為MOND,或者改良牛頓力學。但這一結果不太可能說服大多數天文學家放棄幾十年來的暗物質理論。

星系的誕生

我們的宇宙誕生於大約138億年前的大爆炸。 從一開始,物質就不是均勻分布的。 宇宙的某些部分比其他部分密度更大。

天文學家之所以知道這些變化的存在,是因為他們可以在宇宙微波背景輻射(宇宙大爆炸遺留下來的輻射)中看到它們。引力把越來越多的暗物質和普通物質吸引到這些區域,形成了一個巨大的宇宙絲狀網,這些絲狀網現在正在我們的宇宙中旋轉。最初的恆星,最終的星系,都是在這裡形成的。

這些基本要點是大多數天文學家所接受的宇宙標準模型的一部分。 它被稱為「 lambda-cold 暗物質」模型。 這個理論依賴於暗能量來解釋我們快速膨脹的宇宙,它利用暗物質在最大的尺度上精確地創造宇宙運動,比如旋轉的星系。沒有暗物質,天文學家無法解釋最終導致星系形成的變化。

近幾十年來,除了少數例外,標準模型已經很好地解釋了天文學家通過望遠鏡所看到的東西。 但回到地球上,傳統的方法面臨著一個重大挑戰:儘管進行了幾十年的探索和一系列大規模實驗,研究人員仍未能找到暗物質的具體物理證據。

而且並不是每個人都同意有暗物質可以被發現。一小群宇宙學家認為暗物質根本不存在。其中一些科學家正在利用計算機模擬探索其他的宇宙模型來證明他們的觀點。

暗物質的教條

模擬宇宙中的星系(橙色)和氣體(藍色)。 宇宙大爆炸遺留下來的稀有氣體仍未受到爆炸恆星物質的汙染(來源:TNG COLLABORATION)

德國波恩大學的天體物理學家 Pavel Kroupa 就是這些標準模型的批評者之一。在他看來,暗物質已經成為了教條。他列舉了一些在星系中看到的現實世界中的物質,這些物質對暗物質來說是不合理的。 他還質疑現代宇宙學的許多基本的和廣泛接受的方面,從星系可以融合的想法到宇宙微波背景是否真的是大爆炸的證據。

在過去的二十年裡,Kroupa一直致力於推進 MOND 理論,這是一個關於宇宙的另類理論。支持這一模型的科學家認為,宇宙中最令人費解的方面——那些引導天文學家發現暗物質和暗能量的方面——實際上可以通過稍微修改牛頓描述萬有引力的定律來解釋。

但是為了說服更大的科學界,像Kroupa這樣的逆向主義者必須證明 MOND 實際上可以重建我們的宇宙,同時也解釋了最初引導天文學家擁抱黑暗面的同樣的奧秘。到目前為止,使用 MOND 的計算機模擬還未能建立起與我們今天看到的真實星系相似的虛擬星系。

因此,其他對標準模型持懷疑態度的科學家將這項新研究視為一個潛在的裡程碑。

阿姆斯特丹大學的理論物理學家 Erik Verlinde 說: 「這顯然是一項重要的研究,因為 MOND 經常被批評不能像描述暗物質模型那樣成功地描述星系的形成。」 Erik Verlinde 是著名的暗物質批評家,他沒有參與這項研究。

MOND理論也有問題

宇宙微波背景(來源:ESA and the Planck Collaboration)

但是哈佛大學的天文學家Loeb並不這麼認為。他說,正常物質的物理性質意味著它不能產生天文學家在宇宙微波背景中看到的大規模變化。隨著時間的推移,輻射可以消除正常物質中的小規模擾動。但是因為暗物質不與輻射相互作用,它使這些變化從種子發展到星系。

「 MOND 的主要問題在於它不能解釋從宇宙微波背景輻射(CMB)到現在的宇宙演化的初始條件,」 Loeb 說。他補充道: 「如果除了宇宙微波背景輻射外只有普通物質,而沒有暗物質(根據定義暗物質與光不相耦合) ,那麼星系根本就不會形成。」

Kroupa承認,他們的模擬還需要大量的工作才能完全捕捉到星系的形成和演化過程。 目前,他們計算機中的 MOND 宇宙只能捕捉到星系形成的初始階段。 他的團隊希望建立這個模型,直到他們的星系能夠成長和進化。

「一旦我們理解了這一點,一旦我們在 MOND 中理解了星系星系團與星系群是如何形成的,我們將開始發展一個嵌入 MOND 的宇宙模型,」 Kroupa說。

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