这是关于宇宙中最被接受的想法之一，也是最具争议的想法之一：暗物质的概念。在太阳系中，太阳和行星足以解释我们看到的所有引力效应：只需使用广义相对论定律，你所预测的与你观察到的完全匹配。但在更大的尺度上——星系的尺度、星系群和星系团，甚至是宏大的宇宙网——我们所知道的正常物质，包括由质子、中子和电子构成的一切，根本不足以解释我们观察到的东西。需要其他一些大质量成分，即暗物质，才能使事物恢复对齐。
在单个星系及以下的尺度上，其他解释，如对引力的修改，与暗物质一样成功，MOND就是一个典型的例子。事实上，对宽双星的测试 可能很快就能直接针对暗物质的概念来测试这些想法 。但是在更大的宇宙尺度上，例如星系团碰撞的尺度上，这些相同的引力修改不再成功，但暗物质仍然完全有效。
或者是吗？修正引力界的许多人指出，对星系团碰撞的标准故事（如子弹星团）作为暗物质的证据有两个主要反对意见。但是，当我们仔细研究这些反对意见时，它们真的有水吗？让我们自己调查一下。
子弹组的标准图片
在上面，您可以看到所谓的 Bullet Cluster 。在光学（可见光）中，它看起来就像两个星系的集合：就像夜空中两个大群（或星团）彼此相对靠近。然而，这些星系团不仅位于天空的同一区域，它们实际上在三维空间中彼此非常接近。此外，它们不仅彼此靠近，而且处于相互作用的过程中。我们可以看到两个信号，它们准确地告诉我们这些相互作用是如何发生的。
第一个信号来自观察X射线波长的光。光学，或我们所知道的可见光，在揭示传统上发光的物质来源（如恒星）方面非常出色，而X射线在揭示被加热到极高温度的气体方面却非常出色。气体不仅存在于几乎每个星系中，而且存在于星系间介质中：星系之间的空间，特别是在星系群和星系团等束缚结构中。
当我们在X射线波长下观察子弹星团时，我们发现在两个星系团之间的空间中存在大量炽热的X射线发射气体和等离子体。这不仅是两个星团最近相撞的证据，而且「冲击」特征，看起来像一个绷紧的弓，告诉我们这两个星团以极快的速度相撞：大约5000公里/秒。
然而，我们也可以看到第二个信号：这个系统中所有质量产生的引力透镜信号，包括这些星系团内的质量以及它们之间空间的质量。与依赖于物质特性（如温度和亮度）的光依赖性信号不同，引力透镜完全由质量决定：沿任何特定视线存在的累积质量量。这种质量的存在会弯曲和扭曲其后面空间的外观，以及沿同一视线从背景光源发出的任何光。
引力透镜有两种类型：
强镜头，背景源被拉伸成弧形、环形，甚至多个图像，就像极度扭曲的镜子中的反射一样，就像你在 Fun House 中可能看到的那种，
以及弱透镜，其中背景源的形状和方向优先扭曲成一系列椭球体形状，这是一种更微妙但更普遍的引力透镜类型。
主要是通过弱引力透镜来重建星系团内的质量分布，当它应用于碰撞的星系团（包括子弹星系团）时，你可以看到一个明确的信号，即质量分布遵循星系团本身的分布，而不是从星系团中剥离的加热气体。
很长一段时间以来，这 一直被视为暗物质的「吸烟枪」证据 ，因为以下两者之间的不匹配：
质量信号所在的位置，
与正常物质所在的位置相比，
非常重要，因为它们的分布在远大于5-sigma的显著性上不一致，5-sigma传统上被用作天体物理学和粒子物理学发现的「黄金标准」。不管在银河系尺度上发生的混乱的物理学如何，当我们把目光投向更大的尺度时——比如星系团的尺度和碰撞星系团的系统——暗物质胜过修正引力理论的证据是明确的。
或者是吗？
在与泽维尔·埃尔南德斯（Xavier Hernandez）教授的对话 中，他提到了两个反对意见，即子弹星团压倒性地支持暗物质图景。他特别指出了以下几点。
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我们不应该认为透镜信号来自物质密度最大的地方，而不是质量最大的地方，这不足为奇，因为决定透镜信号的是质量浓度，而不是整体物质。
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而且，我们观察组成子弹星团碰撞的两个星团的速度太大了，无法与我们对宇宙的标准图景保持一致：ΛCDM，或者暗能量和冷暗物质主导的宇宙。
虽然这些反对意见在 MOND 倡导者的文献中很常见，但它们真的站得住脚吗？
引力透镜是否依赖于孤立的「点」信号，还是大规模的物质分布？
从物理学的角度来看，这个问题的答案很简单：两者兼而有之。例如，需要密集的物质浓度来产生具有视觉冲击力的强透镜信号，以及通过单个恒星附近的光线的偏转。这些强透镜信号可以将遥远星系的放大倍数提高数十倍、数百倍甚至数千倍，具体取决于配置，并且可以将单个点光源延伸到天空中的巨大区域。
但是，当涉及到弱引力透镜时，即使是稀疏的物质浓度也会发挥重要作用，当我们对星系团进行「质量重建分析」时，无论是孤立的单个星系团还是一组碰撞的星系团，弱引力透镜信号可以说是包含最大数据量的。
事实上，这是 25 年来众所周知的事情。1998年， 格斯·埃夫拉德（Gus Evrard）在 【自然】（Nature ）杂志上 发表了一篇著名的论文，该论文令人惊讶地显示了星系团内的质量位置，这是从其引力透镜数据重建的。关键图如下所示。
当然，你会立即注意到物质的巨大「峰」，它们对应于单个星系产生的透镜信号。您还会注意到，在 y 轴上，这不是正在绘制的三维质量密度（每单位体积的质量），而是正在显示的二维质量密度（天空中每单位面积的质量），因为它是沿特定视线的累积质量产生透镜信号。
但你应该注意到的最大特征也是最广泛的：物质向这个物体的中心涂抹分布。就好像不仅大部分质量，而且超过80%的星系团总质量，都不存在于单个星系中，而是存在于它们之间的空间中：在星系团内介质中。这与暗物质假说非常一致 - 有大量的物质，比所有正常物质的总和还要多 - 围绕着星系和星系团的巨大光环。
虽然正常物质会像星系和恒星一样碎裂并坍缩成团块，但暗物质仍然是弥散的和「浮肿的」，因为它的非碰撞性质阻止它形成致密结构。
然而，这并不意味着暗物质根本不会聚集在一起！事实上，从模拟和结构形成的分析处理中，有一个预测，每个大质量暗物质晕都应该充满暗物质子结构：较小的迷你晕，它们有自己的质量，自己的浓度，并且分布在较大的束缚结构中，如星系和星系团。当我们观察大质量星系团时，如上图所示的MACS J1206，我们可以使用引力透镜数据 - 弱透镜和强透镜相结合 - 来重建前景星系团质量本身的质量和密度分布。
只是：
星系，可以从光中识别，
加上暗物质晕的平滑分布，可以从弱透镜重建，
加上簇内光，可识别为漫射蓝色辉光，
仅此而已，这就是我们能识别的透镜信号的原因吗？事实证明， 不 ，这还不是全部。星系团内的光数据，以及背景弱透镜数据，表明这个光晕中存在「质量团块」，远远超出了任何星系信号。从微弱的透镜和星团内光的结合中，我们可以看出，不仅暗物质的整体扩散分布，而且这些晕内部的暗物质子结构也存在「团块」分布。
您还可以查看强透镜系统，包括仅由单个星系透镜的系统，以测试星系内暗物质的性质和存在。特别是在四透镜系统中，每个透镜背景星系的放大倍率、亮度、大小和位置可以告诉我们星系内的暗物质分布是否平滑，或者是否存在暗物质亚结构，正如预测的那样。
这项研究 是在 2020 年初 进行并发表的，并观察到不同图像之间千分之一级的变化：这让我们了解了这些物体中暗物质的性质。特别是，暗物质不可能生来就很热，或者在早期接近光速，它也不可能生来就是温暖的，这会「平滑」和「模糊」任何单个子结构团块，尽管没有热暗物质那么严重。
相反，暗物质一定是冷的，这些小尺度子结构的间接证据来自弱透镜和强透镜数据。这些微小的暗物质团块在引力透镜本身中充当了缺陷，甚至是「裂缝」。它们的证据现在是压倒性的，并且结合来自星系和星系团的其他证据，表明暗物质的存在并不那么容易解释。
子弹簇是荒谬的宇宙稀有物吗？
看看上面显示的这个天空区域。在7月和8月，通过望远镜或双筒望远镜可以清楚地看到这个星群，被称为 衣架 （或布罗基星团），由10颗相对明亮的恒星组成，星等都在6或7等左右，集中在一个平方度的天空中。现在，整个天空中只有大约40,000颗如此明亮或更亮的恒星，总共大约有40,000平方度的天空。你可能会想问问自己 ：在同一个 一平方度内找到十颗亮度如此之高的恒星的几率有多大？如果这些恒星是随机分布的，你会发现几率是10,000,000分之一左右。这种情况随机发生的可能性很小;例如，您可以在超过 5 西格玛显著性的情况下排除这一点。
但事实证明，所有这些恒星都是无关的;除了黄色圆圈中突出显示的星群外，没有「簇」：与衣架星群完全无关。它真的只是恒星的偶然排列，无论它看起来不太可能。子弹星团的移动速度是否太快而无法与我们的标准（ΛCDM）宇宙学保持一致？统计论证也可以以同样的方式使用，认为这两个星团的速度太大，无法与我们对宇宙的描绘一致。
正如您所料，不同的模拟会给出不同的结果。
有人说，这个系统非常不可能，而且在超过5西格玛的水平上，它可能会不受欢迎。
有人说这个系统有点不太可能，但并非荒谬;在整个宇宙中应该有少数类似的星系团，我们碰巧发现它是我们第一个碰撞的星系团。
还有人说，这个系统相当普通，只是在碰撞中比你预期的要快一点，而且与我们的预期完全没有冲突。
但我们可以比模拟做得更好;我们现在有几十个这样的系统，引力透镜数据（蓝色）和X射线发射数据（粉红色）突出了正常物质和总质量之间的差异。在所有系统中，如果你有证据证明有加热的气体（由团簇碰撞产生），那么你将与正常物质的分布产生质量偏移。这些碰撞的速度通常在数千公里/秒的低速下，但也有少数更快;例如， 火枪球团 在速度上可与子弹团相媲美。所有这些都显示了暗物质的证据，虽然有些速度很快，比如子弹星团，但大多数速度更适中：更像是ΛCDM宇宙学的「标准」预测。
在比恒星和行星系统更大的尺度上，在地球与太阳距离的几千倍，高达大约一百万甚至几百万光年的尺度上，仍然有修正引力理论 - 包括MOND - 可以与暗物质相媲美，因为它们对宇宙的描述程度。但是在更大的宇宙尺度上，包括（也许，特别是在）星系团的尺度上，所有这些修改后的引力理论都失败了，除非它们还包括与暗物质行为相同的东西。我们可能没有直接探测到它，当涉及到宇宙是由什么组成的问题时，我们可能真的处于黑暗之中，但反对星系团中暗物质的证据充其量是脆弱的。正如数据压倒性地显示的那样，对它的最大反对意见根本没有任何水分。
