最新研究:要解釋暗物質,引力一定要變得很奇怪

2020-12-05 量子認知

暗物質是一種看不見的東西，其引力被認為是可以將星系保持在一起，這可能是物理學中最不令人滿意的概念。但是，如果要擺脫它，一項新的研究發現，需要用更奇怪的東西代替它：引力會在一定距離處將巨大物體拉在一起，而在其他距離處會將它們推離分開。該研究分析強調了解釋暗物質的難度。

卡內基梅隆大學理論物理學家、斯科特·多德爾森（Scott Dodelson）表示，認識到這種引力理論「太複雜了，似乎不可能有人提出可行的方案。」儘管如此，一些理論物理學家還是說有可能通過測試。

根據宇宙學家的流行理論，暗物質幾乎遍及每個星系，提供了額外的引力，以防止恆星旋入太空，天文學家看到星系旋轉的速度。巨大的團塊和網線充當了宇宙發展的構架。然而，經過數十年的嘗試，物理學家還沒有發現周圍漂浮著暗物質的粒子，如果這個想法不奏效，許多人會高興地拒絕這個想法。如圖所示斯隆數字天空調查所測量的超過400萬個星系的空間分布，很難通過修改引力來解釋。

一些科學家嘗試排除暗物質的習慣。 以色列物理學家、米爾德海·米爾格羅姆（Mordehai Milgrom）發現，他可以通過修改著名的牛頓第二運動定律：力等於質量乘以加速度，來解釋繞星系外圍旋轉的恆星的高速運動。這種見解表明，至少在單個星系的尺度上，通過改變引力定律可以消除對暗物質的需求。但是，理論家們努力了數十年，才將其轉變為一個與愛因斯坦廣義相對論類似的連貫的引力理論，為此，他們不得不增加新的領域，即通常的引力場的表親。

如圖所示從2016年到2018年運行的XENON1T檢測器，有的科學家認為可能已經看到、有的科學家認為沒有看到奇異粒子的跡象。

但是，要消除暗物質，理論家還需要解釋它在更大的宇宙學尺度上的影響。 NASA噴氣推進實驗室宇宙學家Kris Pardo和普林斯頓大學宇宙學家David Spergel認為，這要困難得多。為了說明這一點，他們通過測量大爆炸的餘暉（宇宙微波背景（CMB）），將早期宇宙中普通物質的分布與當今星系的分布進行了比較。

宇宙的進化是一個由兩種流體組成的故事：一個是與光不相互作用的暗物質，另一個是與光發生相互作用的普通物質。大爆炸在暗物質上留下了漣漪，暗物質在自身的引力作用下開始聚結到較稠密的斑點中。普通物質，然後是自由飛行的質子和電子的熱湯，也開始掉入暗物質團塊中。但是，這些帶電粒子本身會產生輻射，將其推回，從而產生一種稱為重子聲振蕩（baryon acoustic oscillations）的聲波。這種波繼續傳播，直到宇宙冷卻到足以形成中性原子為止，當宇宙微波背景輻射（CMB）誕生時，是宇宙大爆炸38萬年後。聲波在宇宙微波背景輻射上留下了印記，在銀河系的分布中也隱隱留下了印記。或者，可以僅通過改變引力相互作用的普通物質來解釋這種演化？

如圖所示關於圍繞如煙花星系的漩渦星系（spiral galaxies）運動中的規律撞擊的漩渦的爭論。

為了探索這種可能性，Pardo和Spergel在最近的《物理評論快報》中報導指出，他們推導了一個數學函數，該函數描述了從宇宙微波背景輻射揭示的普通物質分布到星系的當前分布，引力將如何工作。他們發現了一個驚人的發現：該功能必須在正值和負值之間擺動，這意味著引力在某些長度尺度上是有吸引力的，而在其它長度尺度上則是排斥的。

如圖所示根據IllustrisTNG的模擬，當前3億光年寬的宇宙網絡的視圖。 星系（金色）吹散了衝擊的氣體（白色）。

Pardo說， 「那真是太奇怪了。」需要一個奇怪的行為來解釋較大的重子聲振蕩是如何隨著宇宙時間而消退的，而較小的星系卻出現了。就像米爾格羅姆對單個星系所做的一樣，新研究表明，沒有暗物質，引力將如何改變以解釋宇宙的大規模結構。這種改變必須是徹底的。他說：「他們證明，要做到這一點，必須跳過13個方面。」如圖所示一些模擬（例如FIRE）專注於單個星系。

但是，理論家似乎已經準備好克服這些困難。在最近發布到預印本伺服器arXiv的一篇論文中，捷克科學院的理論宇宙學家Constantinos Skordis和TomZosnik提出了一種無暗物質的修正引力理論，他們說，這些理論與宇宙微波背景輻射數據對應。為此，研究人員在諸如廣義相對論之類的理論中增加了一個額外的可調場，稱為標量場。它具有能量，並且通過愛因斯坦對質量和能量的等效，它的行為就像質量的一種形式。在大空間尺度上正確設置事物時，標量場僅與自身相互作用並且像暗物質一樣起作用。

該研究尚未明確表明該理論通過了Pardo和Spergel的特殊測試。但是，由於它的設計是為了模仿暗物質，所以應該這樣做。 「我們將其設計為具有這種行為。」Pardo說，Skordis和Zosnik的論文「非常令人興奮」。但他指出，從某種意義上講，它只是用一種精心調整的標量場代替了一個神秘的暗物質事物。鑑於其複雜性，Pardo說：「暗物質是一種更容易的解釋。」

參考：1. What Is the Price of Abandoning Dark Matter? Cosmological Constraints on Alternative Gravity Theories. Phys. Rev. Lett. 125, 211101 – Published 16 November 20202. A new relativistic theory for Modified Newtonian Dynamics. https://arxiv.org/pdf/2007.00082v1.pdf

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