可口可樂還是百事可樂？C羅或是貝利？泰勒·斯威夫特(黴黴)或者……好吧，不想讓斯威夫特一家與【物理世界】對抗，我們只想說，我們支持誰或我們做出的選擇往往有部落效應。
在宇宙學的世界裏，一個激烈的分歧就是你是支持暗物質還是支持修正牛頓動力學(MOND)。這兩種理論都試圖解釋預測的宇宙重力效應與實際觀測到的恒星和星系運動之間的差異。
在尋找一個能夠完美解釋我們宇宙的宇宙學模型的過程中，大多數天文學家都引入了暗物質的概念。但是，如果他們反而選擇去修改世人早已認可的重力定律時又會怎樣呢？在由三部份組成的系列的第一部份中，Keith Cooper探討了重力修正理論在解釋不同星系尺度的現象以及匹配宇宙微波背景放射線的觀測數據方面所做的努力和獲得的成就。
試想一下，如果對重力定律進行一個略微的調整，你就可以一舉擺脫對宇宙中所有暗物質的依賴。你能夠甩開一種令人討厭的粒子，而它僅是被推測存在，迄今為止尚未被發現的。相反，你可以用一個簡單明了的理論來代替它，該理論僅是略微修改了艾薩克·牛頓和艾伯特·愛因史坦的基本工作。
這至少這是修正牛頓動力學理論(MOND)的夢想。它由以色列物理學家Mordehai Milgrom和墨西哥出生的美籍以色列裔理論家Jacob Bekenstein於20世紀80年代初提出並行展而來，這是他們對流行的「暗物質」理論模式的「解藥」。對他們來說，暗物質是宇宙學中一個不必要且笨重的附屬品，如果它真的存在，那便意味著宇宙中80%的物質是不可見的。
自提出以來的40年裏，MOND取得的成就一直被宇宙學對暗物質的極大熱情所淹沒。但MOND仍在解釋比單個星系更大和更小的尺度上的現象上不懈努力。那麽MOND到底是不是我們應該給予重視的理論呢？
奇怪的曲線
我們的故事始於20世紀60年代末、70年代初，美國天文學家維拉·魯賓(Vera·Rubin)和肯特·福特(Kent·Ford)意識到，星系外圍恒星的執行速度與靠近中心的恒星的一樣快，這顯然違背了強尼斯·克卜勒(Johannes·Kepler)的軌域執行定律。他們在星系的旋轉曲線中描述了這一點，本質上就是軌域速度與中心半徑的關系圖。這些影像不是負相關的斜線，而是一條水平線。在某處，一定有某個額外的重力牽引著那些外層恒星。
暗物質是一種被廣泛認可的解題思路，作為一種無形的物質，其無處不在足以成為宇宙中的占主導地位的重力。今天，暗物質的概念與我們的標準宇宙學模型緊密相連，並深根於我們對宇宙結構形成的理解。
01
盤狀星系證據
圖源:ESO/J Emerson/VISTA/Cambridge Astronomical Survey Unit
暗物質的理論是很精巧適用,但對於一小部份物理學家和天文學家來說還不夠,他們回避了暗物質宇宙學,轉而接納了MOND。事實上，他們有充足的證據支持他們的立場。2016年,凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)的Stacy McGaugh測量了153個星系的旋轉曲線(Phys.Rev.Lett.117 201101),並以前所未有的精度發現,它們的旋轉曲線釋能被MOND解釋,而無需求助於每個星系周圍的暗物質暈。基於此,他證實了米爾格羅姆(Mordecai﹒Milgrom)的推測。
「我敢斷言，MOND比暗物質更好地解釋了這些現象，原因就是它的預測能力，」前暗物質研究人員、現今MOND的倡導者的McGaugh談到，他在一次頓悟後改變了立場。他指出這樣一個事實，即如果你已知一個星系的可見品質(所有恒星和瓦斯),那麽透過套用MOND，你可以計算出星系的旋轉速度。但在暗物質模型中，你無法根據暗物質的存在來預測速度。恰恰相反，你必須測算出星系的旋轉曲線才能推斷有多少暗物質存在。McGaugh認為這是迴圈推理，並非暗物質存在的證據。
如何修正重力
修正重力理論可能對許多物理學家來說是個詛咒——而這正源於牛頓和愛因史坦的權威——但這並非一件奇怪的事情。畢竟，我們生活在一個充滿科學謎團的神秘宇宙中。致使宇宙加速膨脹的暗能量是什麽？為什麽使用不同方法測量的宇宙膨脹率會有出入？正如哈伯和詹姆士·韋伯太空望遠鏡所「見證」的，星系是如何在早期宇宙中如此迅速地形成的？研究人員越來越多地尋求修正重力理論來獲得答案，但並非所有的修正重力模型都是平等的。
英國樸茨茅斯大學(University of Portsmouth)的宇宙學家和修正重力理論大師泰莎·貝克(Tessa Baker)將她的的職業生涯建立在在測驗重力定律和尋求修正上，以試圖借此解釋暗能量。貝克解釋道：「MOND是修正重力理論其中的一種，它的獨特之處在於它是一個試圖取代暗物質的理論。」「而大多數修正重力理論卻沒有這麽做。」
包括MOND在內的每一個修正重力理論，都必須解釋為什麽它在日常尺度上對我們是隱藏的，只在某些特定條件下才起作用。物理學家將這種轉變發生的點稱為「篩選點」，而那都只是一個尺度問題。
貝克問道：「令人棘手的是，在廣義相對論「完美適用」的尺度下，你要如何隱去其中的修正？」顯而易見的出發點可能是考慮重力是否在距離尺度上發生突變，好比在我們的太陽系中，重力會按照平方反比規則衰減，但在星系團的尺度上，它會以不同的速率衰減。
例如：貝克所研究的一種修正重力理論——被稱為f(R)重力——囊括了愛因史坦的廣義相對論。在f(R)下,重力在物質密度足夠低的空間區域(如宇宙空洞)觸發暗能量效應。對MOND來說,篩選機制的標度便是加速度。在被稱為a0(約為0.1奈米每平方秒)的特征重力加速度以下,重力的作用方式將發生改變。
加速度低於a0時，重力衰減得更慢，與距離成反比，而不是遵循平方反比定律。因此，在四倍距離的軌域上執行的物體會受到四分之一的重力，而不是十六分之一。這所必需的低重力加速度正是星系外圍恒星所擁有的加速度。貝克解釋道:「所以MOND在低加速度下觸發這些修正，就像f(R)重力在低密度下觸發修正一樣。」
沖突與爭議
MOND在單個星系中表現出色，但仍取決於具體情況，可能在其他環境中它將表現不佳。尤其是一次失敗已經讓MOND最忠實的支持者之一反對這一理論。
測驗MOND的理想實驗室是這樣:不存在大量暗物質，這意味著任何重力異常都應該來自重力定律本身。遠距雙星系統正是這樣一種環境，它由相距500天文單位或以上的成對恒星構成（一個天文單位(AU)是地球和太陽之間的平均距離）。在如此巨大的分隔下，每顆恒星所受到的重力場都很微弱。
02
試驗場
圖源: 美國國家航空暨太空總署/噴射推進實驗室加州理工學院(JPL-Caltech)；
(左)像這樣的遠距雙星系統應當是檢驗MOND的理想試驗場，因為暗物質的影響將會是最小的，所以重力效應將完全來自重力定律。
(右)首爾世宗大學的Kyu-Hyun Chae透過分析20,000多個遠距雙星系統的觀測結果來測驗這一點。他發現，在加速度低於0.1nm/s2的情況下，存在持續不斷的的重力異常(增強因子為1.4)。這與最初的MOND理論相一致。
在英國聖安德魯斯大學(University of St Andrews)，Indranil Banik正在進行他自己的為期六年的測驗遠距雙星中的MOND的計畫。Banik完全指望他的結果能證明MOND是真實且正確的。他說：「我顯然期待MOND的預測會奏效。」「因此，當它沒有做到這一點時，這的確是個非常大的吃驚。」
在2023年末發表的一篇論文中，Banik發現完全沒有出現與標準牛頓重力的偏離(【皇家天文學會月報】10.1093/mnras/stad3393)。這個結果對他來說是一個沈重的打擊，動搖了Banik的觀念，於是他公開宣稱MOND是錯的——這讓他受到了一些抨擊。不過，為什麽他的結果會與Chae和Hernandez如此不同呢？Banik說：「當然，他們仍然認為存在某種東西。」然而，他對他們的結果持懷疑態度，指出他們在處理測量中的不確定性因素方面存在差異。
遠距雙星並非Banik看到MOND失敗的唯一例子。他還舉出了我們太陽系的例子。MOND的核心原理之一是「外部場效應」，即銀河系的整體重力場能夠將自己施加在較小的天體系統上，例如我們的太陽系。我們應當能看到這種「銘印」(效應)，特別是在外行星的軌域上。透過分析2004年至2017年間環繞土星執行的卡西尼號宇宙飛船的無線電跟蹤數據來尋找這種效應，研究人員並未發現土星軌域上存在外部場效應的證據。
如果Banik是正確的，那麽它會使MOND陷入一個非常糟糕的境地——但這並非MOND對抗暗物質的唯一戰場。
星系團謎題
2006年，美國國家航空暨太空總署釋出了一張壯觀的兩個星系團正在碰撞的影像，並根據星系和瓦斯的位置，以及由於星系團中物質扭曲空間產生的重力透鏡作用程度，科學家們能夠計算出暗物質在星系團中的位置。
子彈星系團(1E0657-558)因外形呈子彈狀而得其名。這張照片整合了多個望遠鏡的數據，其中紅色代表高溫瓦斯放射線的X射線，藍色則描繪了可能分隔在兩側的暗物質。
波昂大學(University of Bonn)的天體物理學家克魯帕(Pavel Kroupa)說：「據稱子彈星系團證實了暗物質的存在,這被用來強烈地反對MOND。」「好吧,事實證明,情況恰恰相反。」
原初：藝術家對早期宇宙(不到10億年)在經歷恒星的爆發式產生時的想象圖。(圖源:A Schaller/STScI)
首先，克魯帕認為，如此巨大的星系團甚至不應該存在，更不用說有時間在高紅移下發生碰撞了(註:高紅移表示天體具有較大的退行速度,據此天體將在碰撞前已經彼此遠離)。ΛCDM認為宇宙結構應該緩慢形成,而克魯帕爭論道,對於我們的望遠鏡向我們展示的情況來說，這太慢了：早期宇宙中存在的大品質星系和巨大星系團。更確切地說，正是星團碰撞本身的動力學給了克魯帕希望。尤其是,ΛCDM預測，落入組合星團重力阱的星系的速度應當比觀測到的要低得多。
一個萬物理論？
星系團和遠距雙星可以被無限次地爭論，直到一方或另一方承認失敗。但也許針對MOND最嚴重的批判是它完全缺乏一個可行的宇宙學模型。在星系中嘗試用修正的重力來取代暗物質是很好的，但要想這一理論取得最終的成功，它必須能夠解釋暗物質所能解釋的一切，甚至更多更好。這意味著它需要成為ΛCDM的競爭對手，來解釋我們在宇宙微波背景(CMB)中看到的東西——遍布宇宙的原始微波放射線。
天空謎題 ：普朗克衛星任務繪制的宇宙微波背景放射線圖。人們普遍接受的數據解釋是,宇宙約是由4.9%的普通物質、26.8%的暗物質和68.3%的暗能量構成。MOND理論最初無法解釋普朗克衛星等所展示的溫度變化。但在2021年,Constantinos Skordis和Tom Złośnik提出了一個受MOND啟發的模型,它能像暗物質模型一樣與普朗克衛星的數據很好地吻合。(圖源:ESA and the Planck Collaboratio)
鑒於試圖發展一個相對論性MOND模型的曲折歷史，McGaugh認為能夠寫出這樣一個符合微波背景放射線的理論已經是一項「了不起的成就」了。Skordis和Złośnik的模型並不完美。與TeVeS一樣，它很難解釋我們在宇宙中觀測到的大量重力透鏡現象。Banik還特別強調了該模型所面臨的困境，他說「它不能很好地解釋星系團使它陷入了窘境」。
貝克對此表示贊同。他說道:「雖然對MOND而言能做到這一點已是向前邁出一大步，」「但我認為這還不足以讓MOND重歸主流。因為Skordis和Złośnik的模型中增添了很多冗余的場,多數中看不中用，如此它真的變得不再優雅。它能與CMB相協調，但似乎很不自然。」
或許我們把過多的壓力置於模型的肩上了。這可以被看作僅是一個開始，一個概念的證明。McGaugh說:「這是否是最終的理論，亦或踏上了正確的道路與否，我也不得而知,」「但人們總在說這是不可能的,而Skordis和Złośnik已經表明這是可以做到的,這是向前邁進的重要一步！」
MOND不斷招引致、挫敗和加深來自暗物質追隨者的蔑視。科學界若要將其視作ΛCDM的重量級競爭對手，還有很長的路要走。並且,它的發展顯然因參與其中的人少之又少而受到阻礙，這意味著進展將會是緩慢的。
McGaugh說道,但這一新興理論所取得的成功不應被忽視。至少，它應該會讓那些致力於作為主流的暗物質模型的天文學家們保持警覺。
責任編輯：DAIKIN
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來源：牧夫天文
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