暗物質真的存在嗎？

許多科學人士認為宇宙不僅是由卡爾·薩根所說的「數十億億」的星系，而是大量的隱形物質，被稱為暗物質。這種奇怪的物質被認為是一種新的亞原子粒子，它不通過電磁相互作用，也沒有強核力和弱核力。暗物質在宇宙中的分佈也比普通原子的五倍還要多。

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然而現在情況是暗物質的存在還沒有得到直接的證實。暗物質仍然是一個假設，儘管它很受支持。任何科學理論都必須作出預測，如果它是正確的，那麼你所做的測量應該與預測一致。暗物質也是如此。例如：暗物質理論預言了星系旋轉的速度。但是到目前為止，在低質量星系中心的詳細暗物質分佈的測量與這些預言並不一致有些許差異。

最近的計算改變了這一點，計算有助於解決塔利-費舍爾關係的難題，其中比較明顯的還是普通星系的旋轉速度的關係。在非常簡單的術語中，科學家發現螺旋星系的質量越大（因此更明亮），自旋的速度就越快。

但是如果暗物質存在，星系的「大小」應該不僅由它的可見物質（普通物質）決定，還取決於它所包含的暗物質。應有一方程式來描述暗物質數量的缺失，塔利-費舍爾關係也不應該存在。然而到現在它確實如此，很難想像將這種關係與現有的暗物質理論相協調。

暗物質的起源

第一個跡象，有可能是一個類似暗物質需要回到1932年。荷蘭天文學家Jan Oort測量銀河系中星星的軌道速度時發現它們移動太快，不能被觀察到的星系的質量所解釋。

維拉魯賓和肯特福特發現星系邊緣的恆星，如仙女座星系（如下圖所示），旅行速度超過預期。暗物質可以幫助解釋這些星系旋轉差異。

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然而尋找暗物質正式開始近半個世紀之後，在1970年代天文學家 維拉·魯賓 和儀器製造商的肯特福特測量鄰近星系的旋轉速度的函數星系的恆星的距離中心。 他們比較標準的測量與預測牛頓引力理論

他們的母星系恆星的軌道近圓形，路徑和重力是那些軌道束縛天體的力量。牛頓方程的預測，讓天體在一個圓形路徑移動力，F（圓形）應等於力在星的重力，F（重力），不然天體會飛到太空中或落在銀河系的中心。

靠近星系中心，魯賓和福特發現，F（圓形）大致等於F（重力），如預期的那樣。但遠離星系的中心，方程式的兩邊並不相等。雖然星系和星系的細節各不相同，但他們的觀察基本上是普遍的。

如此戲劇性的差異需要解釋，在星系中心附近，魯賓和福特的測量意味著理論是有效的，而在較大的軌道距離上的差異意味著某種東西正在發揮著某種作用，現有的理論無法解釋。他們的研究表明，要麼我們不理解慣性是如何工作的（例如F（圓形）），要麼我們不理解重力是如何工作的（例如F（重力））。第三種可能性是等號是錯誤的，這意味著方程還沒有包含其他的力或效應，這也是唯一的可能。

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圖註：當宇宙大約30億年時，暗物質的分佈從星系形成的數值模擬中獲得。左面板顯示暗物質顆粒的連續分佈，而右側面板突出了用於形成星爆星系的暗物質光環，其最小暗物質光暈質量為太陽的三千億倍。

解釋差異

在魯賓和福特的研究發表40年之後，科學家已經測試了許多理論來解釋他們發現銀河系旋轉的差異。物理學家米爾格提出了一個修正的慣性稱之為「修改牛頓動力學」。他假定：在其最初的形式非常低的加速度下，牛頓的方程F＝ma 便失效了。

其他物理學家提出修改重力定律。愛因斯坦的廣義相對論在這裡並沒有多大用處，因為這個領域，愛因斯坦和牛頓的預言基本上是相同的。而量子重力理論，試圖用亞原子粒子來描述重力，不能解釋同樣的原因。然而有引力理論對與牛頓重力不同的銀河系或銀河系外尺度進行預測。

宇宙的大部分是由我們看不到的物質所構成的。圖片版權：agsandrew / Shutterstock.com

然後有人預測，存在新的自然基本力。這些想法都聚集在名為「第五力」意味著除了引力、電磁力和強、弱核力還有新的力。最後還有暗物質理論：一種根本不與光（電磁輻射）相互作用的物質，卻在宇宙中」施加「引力或表現出引力的特性。

如果星系旋轉測量是我們所擁有的唯一數據，可能難以在這些不同的理論之間進行選擇。畢竟有可能調整每個理論來解釋星系旋轉問題。但現在有許多不同現象的觀察可以幫助確定最合理的理論。

其一是星系團內星系的速度。星系移動得太快，星系團無法保持在一起。另一個觀測是來自遙遠星系的光。對這些非常遙遠的古代星系的觀測表明，它們的光經過了附近星系團的引力場而扭曲了。也有對宇宙微波背景輻射非均勻性研究。所有這些測量（還有更多）也必須用或新何新的理論來解釋銀河系自轉速度。

暗物質的未解之謎

暗物理理論在預測這些測量中已經做了很多合理的工作，這就是為什麼它在科學界受到重視。但暗物質仍然是一個未經證實的模型。迄今存在的所有證據是間接的。如果暗物質存在，我們應該能夠直接觀察暗物質通過地球的相互作用，我們可能能夠在大粒子加速器（如大型強子對撞機）中產生暗物質。然而這兩種方法都沒有成功。

大型強子對撞機的複合圖像由3D藝術家創建。光束管表示為透明管，反向旋轉質子束以紅色和藍色表示。圖片版權：Daniel Dominguez / CERN

此外，暗物質應該與所有人預測一致，而不僅僅是許多天文觀測。儘管暗物質是迄今為止最成功的模型，但它並不完全成功。暗物質模型的預測，像銀河系這樣的大星系周圍的矮衛星星系比實際探測的要多。儘管發現了更多的矮星系，但與暗物質的預測相比還是太少了。

另一個大的，開放的問題是如何影響星系中的的暗物質及轉速的亮度之間的關係。這種關係是第一次在1977年被發現，叫做塔利-費希爾關係，多次表明星系的可見物質與轉速密切相關。

暗物質的艱難挑戰

塔利-費希爾（Tully Fisher）關係是暗物質模型的一個艱難的挑戰。一個星系的旋轉是由它所包含的總物質的量。如果暗物質真的存在，那麼物質的總量是普通物質和暗物質的總和。

但是現有的暗物質理論預言任何隨機星系都可能包含暗物質的較大或更小的部分。因此當測量可見質量時，可能會丟失總質量的一大塊。可見質量應該是銀河系總質量（因而是旋轉速度）的一個很差的預測因子。星系的質量可能與可見（普通）質量相似，或者可能更大。（普通質量即指普通可見物質的質量）

因此沒有理由認為可見的（普通物質）質量應該是一個好的星系的旋轉速度的預測。然而它是。

事實上在今年發表的一篇論文中，暗物質的懷疑論者用來反駁各種星系的暗物質假說和一個修改版的慣性塔利-費希爾（Tully Fisher）關係的測量。

更適合的暗物質理論

然而在六月發布的一篇論文中，科學家們給出了暗物質模型的顯著提升。不僅新作品再現了先前的預測暗物質模型的成功，它也再現了塔利-費希爾（Tully Fisher）關係。

新論文是一個「半分析」模型，這意味著它是分析方程和模擬的組合。它模擬了早期宇宙中暗物質的聚集，可能已經完成了星系形成，但也包括普通物質的相互作用，包括普通物質由於其引力拉動，星形成和加熱而被稱為另一個天體通過星光和超新星的氣體。通過仔細調整參數，研究人員能夠更好地匹配預測的塔利-費希爾（Tully Fisher）關係。計算的關鍵是預測的旋轉速度包括了重子與暗物質比例的實際值。

新計算是驗證暗物質模型的重要步驟，但是這不是最後的。任何成功的理論都應該同意所有測量。不同意意味著理論或數據是錯誤的，或至少是不完整的。預測和測量之間的差異仍然存在（例如大衛星周圍的小型衛星星係數量），但是這篇新的論文使我們有信心在今後的工作將解決這些剩餘的差異

暗物質仍然是宇宙結構的有力預測理論。目前它雖不完整，它需要通過發現實際的暗物質粒子進行驗證。所以未來仍然很多有工作要做。（本文所表達並不一定反映學術期刊或出版商或論文的觀點）

原作者：Don Lincoln

編譯：光量子，審校：博科園

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