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暗物质不存在?!无暗物质宇宙模型突破最大障碍

时间:2021/10/27 22:40:11 点击:

  核心提示: 旋涡星系的自转速度快于理论预测。有两种解释,一种是存在我们看不见的暗物质;另一种是引力理论本身出了问题(图片来源:NASA/CXC/SAO/D。 Hartmann/JPL-Caltec...

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旋涡星系的自转速度快于理论预测。有两种解释,一种是存在我们看不见的暗物质;另一种是引力理论本身出了问题(图片来源:NASA/CXC/SAO/D。 Hartmann/JPL-Caltech)

两个多月前,我们曾在《暗物质会和以太一样,根本不存在吗?》一文中介绍过MOND理论。近日,新版相对论MOND模型在《物理评论快报》上正式发表。这种完全无需暗物质的宇宙模型在被科学家忽视了30多年后,重回人们的视野。同时,对弱相互作用大质量粒子的搜寻也以逼近极限,物理学家又开始寻轴子等暗物质候选粒子,但仍没人找到暗物质。暗物质真的存在吗?前沿科学是否已经走了几十年弯路?

撰文 | 王昱

在天文学家没有仔细研究星系的旋转速度之前,一切好像还能糊弄过去。但随着上世纪60年代末美国天文学家薇拉·鲁宾(Vera Rubin)仔细测量了旋涡星系M31的旋转速度,理论计算和实际观测之间的差异就再也藏不住了,星系外侧的旋转速度绝对比牛顿引力预言的更快。(在这个尺度上广义相对论等同于牛顿引力)经过10年数据积累,她在1980年发表的一篇论文结了这一现象,并推断:要么是存在我们看不见的物质产生了额外的引力;要么是牛顿引力出了问题。

传统理论预测的(A)与观测到的(B)典型旋涡星系自转曲线对比,横轴为距离星系中心的距离(图片来源:Wikipedia)

传统理论预测的(A)与观测到的(B)典型旋涡星系自转曲线对比,横轴为距离星系中心的距离(图片来源:Wikipedia)

暗物质(dark matter)修改的牛顿动力学(Modified Newtonian Dynamics ,MOND理论)分别是这两个推论的延伸。暗物质假说认为宇宙中我们看不见的暗物质,它逐渐走向了主流。当今宇宙学最常用的模型就是ΛCDM模型,全称为Λ-冷暗物质模型(Lambda Cold Dark Matter Model)。当代宇宙学家曾在课程中学到的,主要就是这种模型。而以色列物理学家莫德采·米尔格若姆(Mordehai Milgrom)则注意到,只有在引力加速度低于10-10m/s2时才会出现自转速度异常,他认为在这一条件下,牛顿引力不再适用,于是提出了MOND理论。但就算1988年他用自己的理论解释了星系旋转曲线问题,MOND理论至今仍门庭奚落。

但近日在《物理评论快报》上发表的一篇论文可能会改变现状。在这篇论文中,两位捷克理论物理学家康斯坦丁斯·斯科迪斯(Constantinos Skordis)和汤姆·兹沃什尼克(Tom Złośnik)开发了一种新的相对论版MOND模型。越来越多的科学家也注意到了他们的成果,或许我们的宇宙根本不需要暗物质。

被忽视的30年

MOND理论被长久忽视是有原因的,最重要的原因是,它无法解释宇宙微波背景(CMB)。

宇宙微波背景辐射(图片来源:NASA)

宇宙微波背景辐射(图片来源:NASA)

宇宙微波背景辐射是现代天文学最重要的发现之一,它也是宇宙大爆炸假说最重要的证据之一。瑞士宇宙学家鲁思·杜尔(Ruth Durrer)曾说:“一个理论必须和(CMB的)数据相符。这就是它(MOND)的瓶颈?!宝獵DM模型能很好地利用CMB的数据,“宇宙中重子物质占4.9%,暗物质占26.8%,暗能量占68.3%”这种科学爱好者耳熟能详的结论,就是用ΛCDM模型计算CMB的数据得出的。相反,MOND理论则一直对CMB的数据束手无策,它无法重现CMB的数据。

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。

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)

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?!倍赵凇段锢砥缆劭毂ā飞戏⒈淼男掳鍹OND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??;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?!?/span>

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。

塔利-费希尔关系,与重子塔利-费希尔关系类似(图片来源:Wikipedia)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?!闭庖弧癴lag”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?

科学家一直都在寻找暗物质,其中最有希望的候选体是大质量弱相互作用粒子(weakly interacting massive particles,WIMP)。这种粒子只能通过弱相互作用和引力与其他物质产生作用,质量可能在质子质量的1倍到1万倍之间,常规观测手段无法发现这种粒子。

但几十年来的暗物质探测,不过是一遍又一遍刷新暗物质可能存在的下限。今年7月初,在马塞尔·格罗斯曼国际广义相对论大会上,中国锦屏地下实验室PandaX实验(“熊猫”实验)公布了PandaX-4T实验的首个暗物质搜寻结果,人类又一次没能找到暗物质。反而,基于PandaX-4T试运行95天的数据,暗物质反应截面的上限又被降低了,这意味着理论中存在的WIMP更难被发现了。这仿佛嘲笑着物理学家:“想发现WIMP?你们人类的精度还不够?!?/span>

PandaX-4T刷新了暗物质反应截面的上限(图片来源:中科大新闻网)PandaX-4T刷新了暗物质反应截面的上限(图片来源:中科大新闻网)

对WIMP的搜寻已经逼近极限了,对它的搜寻已经抵达了一个关键节点。不久之后,现有的大多数暗物质实验将会寻遍WIMP理论上可能存在的质量范围。如果到那时还没有发现,要么是现有的探测手段根本无法发现WIMP,要么暗物质根本不是WIMP……要么,暗物质根本就不存在。

一些现在还在坚持暗物质的宇宙学家,已经渐渐转向WIMP之外的粒子了。其中一个有力竞争者名为轴子(axion),这种粒子比WIMP轻得多??蒲Ъ胰衔凶有浅闳鹊暮诵哪懿嶙?,当轴子到达中子星表面时,就会转变为X射线光子,但目前科学家还没有观测证据。今年初在《物理评论快报》上发表的一篇论文中,科学家认为可以用这一效应解释中子星较高的X射线辐射。但是,他们目前的数据精度还不够,他们打算用美国宇航局的核分光望远镜阵(NuSTAR)进一步观测。同时,欧洲核子研究中心(CERN)科学家也将10米长的CERN轴子太阳望远镜(CAST)对准太阳,试图从那里发现轴子的痕迹。

核分光望远镜阵(图片来源:NASA/JPL-Caltech)核分光望远镜阵(图片来源:NASA/JPL-Caltech)

除此之外,还有科学家认为暗物质可能是复合粒子,“暗夸克”和“暗胶子”能像夸克和胶子那样结合在一起,形成“暗原子核”?;褂腥巳衔滴镏矢静皇橇W?,也可能是宇宙大爆炸不久后产生的原初黑洞。

不停推进的实验却在持续削减着暗物质可能存在的空间。英国伦敦玛丽皇后大学替代引力模型专家特莎·贝克(Tessa Baker)表示,如果暗物质探测器继续一无所获,“我们就可能看到大家对这类修正引力模型越来越感兴趣?!倍硪槐?,斯科迪斯和兹沃什尼克则表示,他们可以对星系团和引力波的进一步观测来检验他们的最新模型。

不论如何,类似MOND的理论和暗物质理论,这两种解释宇宙本质的理论中,最多只有一个可能是正确的。在前者突破了最大瓶颈的同时,最富希望的暗物质候选体却逐渐成为明日黄花,有的科学家甚至转向了别的候选体,暗物质越来越像一个多世纪前假设中光传播的介质“以太”。如果它真的像以太一样不存在,类似MOND的理论又能否像“相对论”一样颠覆我们对宇宙的认知?让我们拭目以待。

让基础物理学的暴风雨来得更猛烈些吧。

作者:不详 来源:网络
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