暗物质不存在？！无暗物质宇宙模型突破最大障碍

Arcman · 发表于 2021-10-23 16:45

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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年发表的一篇论文中总结了这一现象，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。

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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）和修改的牛顿动力学（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。

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2021-10-23 16:48 上传

不含暗物质星系的模拟（左）和含有暗物质星系的模拟（右）（视频来源：Wikipedia）

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）。

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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。”ΛCDM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。

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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。”而近日在《物理评论快报》上发表的新版MOND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场；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。”

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。

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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。”这一“flag”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。”

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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。科学家认为中子星炽热的核心能产生轴子，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。

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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”。还有人认为暗物质根本不是粒子，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。”而另一边，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。

参考文章：

https://physics.aps.org/articles/v14/143

https://aeon.co/essays/we-should-explore-alternatives-to-the-standard-model-of-cosmology

《暗物质探测的最后阵地》，《环球科学》2021年4月号

https://news.ustc.edu.cn/info/1048/76138.htm

《暗物质会和以太一样，根本不存在吗？》

参考论文：

[1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1970ApJ...159..379R/abstract

[2] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ...238..471R/abstract

[3] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/10.1086/166777

[4] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.161302

[5] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.70.083509

[6] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1975BAAS....7..426T/abstract

[7] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1137/38/9/090001/pdf

[8] https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.126.021102

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