沒有暗物質的宇宙長什麼樣？_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：周唯亮

校對：牧夫校對組

編排：陶邦惠

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文鏈接：     

https://www.universetoday.com/144985/astronomers-simulated-how-the-universe-would-look-without-dark-matter/

自1960年代以來，天文學家和宇宙學家之間已達成普遍共識，即宇宙的大部分是由看不見的神秘物質（稱為暗物質）所組成的。儘管科學家們尚未確定構成這些質量的候選粒子，但間接測試和模擬表明，暗物質一定存在，這樣才能使宇宙保持它本來的樣子。

令人着迷的是，一組歐洲研究人員進行了一次模擬，研究了一種沒有暗物質的宇宙。該團隊使用另一種稱為修正牛頓動力學（MOD）的理論，創建了一個計算機模型，其中的星系與我們今天在宇宙中看到的非常相似。這些發現可能有助於解決現代宇宙學最持久的謎團之一。

由波恩大學亥姆霍茲輻射與核物理研究所的帕維爾·克魯帕（Pavel

Kroupa）教授領導的恆星種羣與動力學研究小組（SPODYR）所進行的研究描述了這些發現（最近發表在《天文物理期刊》上）。團隊成員中有SPODYR的博士生尼爾斯·維滕堡（Nils Wittenburg）和斯特拉斯堡大學的研究主任貝諾伊特·法瑪（Benoit Famaey）。

我們怎麼知道暗物質確實存在？

修正牛頓動力學理論認為重力的行為與以前所認為的不同（取決於尺度），該理論最早由以色列物理學家莫德海·米爾格羅姆（Mordehai Milgrom）教授提出，因此也稱為“ Milgromian重力”。根據這一理論，兩個物體之間的吸引力僅在一定程度上服從牛頓運動定律（也就是萬有引力）。

在較低的加速度下（像星系那樣），重力的影響變得更加強烈。簡而言之，物體的引力不僅取決於自身的質量，還取決於其他物體是否在其附近。這個理論可能解釋了為什麼星系不會因其旋轉速度而破裂。

修正牛頓動力學理論（MOND）很有吸引力，也是因為它使“暗物質”（尚未確認）的存在完全多餘。儘管如此，MOND仍然是一個未經驗證且未經檢驗的理論，這也正是維滕堡（Wittenberg）和他的同事們試圖解決的問題。在法瑪（Famaey）的幫助下，該團隊採用了計算軟件進行了引力計算（計算算法由Wittenberg的研究團隊所設計）來模擬MOND所在的宇宙。

這包括模擬第一批恆星和星系的誕生（目前普遍認為它們是在大爆炸之後的100,000至300,000年之間形成的）以及它們如何演變。非常有趣的是，他們發現計算機生成的星系中恆星的分佈和速度所遵循的模式與當今宇宙中可見的模式相同。

正如該研究的主要作者維滕堡（Wittenburg）所解釋的那樣：“在許多方面，計算機模擬的結果與我們用望遠鏡實際觀察到的結果非常接近。此外，我們的模擬結果主要是形成了旋轉盤狀星系，例如銀河系以及幾乎所有我們所知的其他大型星系。另一方面，含有暗物質的模擬創造出的星系則絕大多數沒有明顯的物質盤，這與觀測結果的差異是難以解釋的。”

此外，MOND模擬幾乎不受參數變化的影響，例如超新星的出現頻率及其對星系中物質分佈的影響。但是，在模擬中假定存在暗物質的情況下，這些參數的變化會產生很大的影響。這並不是説MOND模擬在所有方面都是正確的。

例如，這些模擬依賴於一些相當簡單的假設，這些假設主要是關於物質分佈和早期宇宙中出現的一些狀態。“我們的模擬只是第一步，” 克魯帕（Kroupa）教授強調説，“現在我們必須重複計算，並加入更復雜的影響因素。然後我們將看看MOND理論是否能真正解釋現實。”

在涉及到規模最大、時間最長的宇宙的動力學和行為時，我們長久以來仍無定論。儘管“暗物質”的存在尚未得到證實，但它是唯一與廣義相對論相一致的宇宙學理論，而廣義相對論是一種不斷被證明的理論，也是關於重力如何在宇宙學尺度上表現的唯一可行的假設。

宇宙的大爆炸時間軸。宇宙中微子在發射時會對宇宙微波背景輻射（CMB）產生影響，其後來直到今天的所有演化都是物理學研究的範疇。

圖片來源：NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky（GSFC）

儘管MOND為暗物質提出的理論問題提供了一些解析，但它也提出了自己的問題。在不久的將來，許多有助於解決這個謎團的下一代天文觀測站將進入太空，包括詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）和歐空局的歐幾里德任務。

這些以及其他的觀測任務將更好地描繪宇宙的圖景，並改善對宇宙膨脹的測量方法。由此，科學家們希望更好地瞭解暗物質是如何影響宇宙演化的，更不用説暗能量了，那也是一個宇宙學之謎，也是學界辯論的熱題！

延伸閲讀：University of Bonn, arXiv

https://www.uni-bonn.de/news/030-2020

https://arxiv.org/pdf/2002.01941.pdf

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