【博科园-科学科普】下面的图像由光学数据的合成，x射线数据和重建的质量地图，是天文学中最著名和最有信息的一个。它被称为“子弹星系团”，它展示了最近发生碰撞的两个星系团。在星团内的单个星系，就像两支充满鸟的枪互相射击，互相通过，因为碰撞的几率非常低。
引力透镜图(蓝色)，重叠在子弹星系团的光学和x射线(粉红色)数据上，不匹配是不可否认的。图片版权：X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.
然而每个星团内的星系间的气体，在很大程度上是分散的，占了大部分的正常物质，碰撞和加热，发射出我们今天能看到的x射线。但是当我们利用广义相对论的知识和背景光的弯曲来重建质量的时候发现它和星系一起，而不是内部聚集物质。
因此暗物质必须存在。根据推理的标准，星系团以5：1的比例由暗物质和普通物质组成。当它们碰撞时，扩散的正常物质碰撞，粘在一起，变热，而团块(星系)和暗物质通过，形成所观察的效果。
在MACS j0416.1 - 2403中，一个合并的星系团，从引力信号中分离出一种不同的x射线气体，但这是意料之中的，因为这个星系团处于合并的不同阶段，而且仍然存在偏移。图片版权：X-ray: NASA/CXC/SAO/G.Ogrean et al.; Optical: NASA/STScI; Radio: NRAO/AUI/NSF
但是，就像任何伟大的理论一样，所有的可能都必须考虑。x射线不会说谎：在两个分离的集群之间确实有很多问题，所以任何相反的观点都必须被抛弃。在星团中存在着超紧凑、看不见的普通物质团，这一想法很有趣，但一组系统的观察和分析表明，它还不足以解释观测到的效应。这是宇宙中唯一的一个星团的独特之处，被大量的其他碰撞的星团所证明，并发现了同样的效果。
四个相互碰撞的星系团，显示x射线(粉红色)和万有引力(蓝色)之间的分离，表示暗物质。图片版权：X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A. Mahdavi et al. (top left); X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Optical: NASA/ STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (top right); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Italy)/CFHTLS (bottom left); X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University) (bottom right)
也许，我们必须考虑一个有趣的可能：在适当的条件下，重力会表现出非局部的影响。这听起来很疯狂，但它是许多物理重要过程的标志，如量子宇宙。最基本的观点是引力的影响发生在不同的地方，而大部分的物质是。非局部引力理论在重塑重力理论的成功方面非常出色，例如星系的旋转曲线。最近一篇论文利用引力波和伽玛射线的限制，排除了一些变化的重力，它们沿着不同的路径行进，其中一个“幸存者”是MOG：一个非局部效应的引力理论。(非本地的意思是它的影响并不完全位于污染源所在的地方。)
但是，尽管这是令人信服的，但它不可能是对的，而且它只需要一个思维实验来理解为什么。
由于微弱的引力透镜效应，团簇和星系团对其背后的光和物质产生引力作用。这使我们能够重建它们的质量分布，它应该与观测的物质相一致。图片版权：ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)
想象一下，如果有两个星系团，碰撞后会产生怎样的效果？大部分的物质都位于碰撞发生的中心区域，但是大部分的引力作用都集中在其他地方。它要求重力和质量不能连在一起。事实上这是我们在星系群中看到的正常物质时所看到的——看到/追踪气体的地方，以及我们从引力透镜中重建质量的地方，并不是完全一致的。
(a)从Massey et al .(2007a)的分析中，预测宇宙中暗物质的分布。这张蓝色图揭示了暗物质的密度，从哈勃太空望远镜观测到的背景星系的微弱扭曲现象中推断出了暗物质的密度。(b)用哈勃太空望远镜与x射线卫星xmm - newton结合在星系中的恒星质量的组合，揭示出重子物质的等值图。图片版权：R. Ellis, Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2010 Mar 13; 368(1914): 967–987
要么重力作用于非局部，要么有一些看不见的质量形式——暗物质。但是有一个简单的方法可以区分这两个：简单地看一下没有在碰撞过程中的星系团，或者看看附近的两个相互靠近的星团，但还没有合并。如果暗物质是正确的解释，引力透镜信号应该追踪物质分布，一切都应该是局部的。但如果非局部引力是答案，那么引力效应就应该在物质不存在的地方。
有了这些数据，我们也就有了答案。
上图的轮廓，显示了星系群从引力透镜中重建的质量，而点显示观测到的星系，颜色编码了各种红移。当星系团静止时，没有物质与引力的分离。图片版权：H.S. Hwang et al., ApJ, 797, 2, 106
当星系团不受干扰时，引力效应就位于物质分布的地方。只有在碰撞或相互作用发生后，我们才会看到一个非局部的效应。这表明在碰撞过程中发生了一些事情，从看到的重力效应中分离出正常物质。添加暗物质使这项工作成为可能，但非局部引力会使前后预测不同，同时所观察到的也不能同时匹配。
有趣的是，这个争论已经持续了十多年，现在还没有一个令人满意的反驳来自于黑暗物质的反对者。这并不是“证明”暗物质存在的正常物质的位移，而是“位移只发生在暗物质和正常物质被天体物理过程分开的环境中”。这是一个必须解决的基本问题，如果要将替代暗物质作为完整理论的话。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
发表于 2017-12-6 07:32
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