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暗物质是真实存在的吗?

已有 7305 次阅读 2020-11-22 10:16 |个人分类:物理学上空的乌云|系统分类:观点评述

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暗物质是

真实存在的吗?

天体物理学家已经积累了大量很难用暗物质解释的观测结果。是时候考虑引力在爱因斯坦教给我们的以外,可能还有更多了。

萨宾娜·霍森菲尔德,斯特西·S·麦戈高夫 作

 左  芬 译

                             

萨宾娜·霍森菲尔德  是德国法兰克福高等Sabine.png

研究院的一名理论物理学家,研究超出标准

模型的物理。她是物理博客“反作用”以及

《迷失在数学中:美丽如何将物理学引入歧途》

(基础图书出版公司,2018)一书的作者。


斯特西·S·麦戈高夫 是凯斯西储大学Stacy.png

的一名天体物理学家。他的研究聚焦

在低表面亮度星系,进而提供

修正引力与暗物质的强力检验。

 

 

概     要

 

科学家们很久以来就假定与宇宙中的普通物质相伴的必然还有某种不可见的“暗物质”,以便解释恒星如何在星系中运行,以及星系如何在星系团中运行。一种备选的想法是并没有额外的物质,只是我们的引力方程需要更新,不过并未引起多少关注。


然而众多实验在寻找暗物质粒子的迹象时都失败了,而引力必须被修正的可能性仍然存在。


最近,事实上,一些天体物理证据,比如最近对许多星系中引力的观测,更多地倾向于修正引力理论而不是暗物质。是时候物理学家们抛弃他们的成见,重新审视这一“黑马”想法了。



星中仍隐藏着奥秘。我们知道她们为何发光,为何闪烁,但我们仍不清楚她们为何以现在的方式运行。这一问题已经困扰了我们多半个世纪。在1930年代瑞士天文学家弗里兹·茨维基观测到由1000个左右星系组成的星系团中,有些星系围绕它们的共同质心以惊人的高速飞行着。哪怕对每一个星系质量做很宽泛的估算,它们的总和也不足以维持这样的运动。为了修正这一失调,茨维基猜想存在一种新物质:“暗物质”。

 

在1970年代,已于2016年故去的美国天文学家维拉·鲁宾发现同样的事情也发生在单个星系中。远离星系中心的恒星的速度跟那些靠近中心的差不多一样大,而天文学家预期他们会随着星系远郊的引力的衰减而逐渐慢下来。再一次地,仅靠可见质量是不足以解释这些观测的。鲁宾得出结论,在这些星系中,暗物质也必然是存在的。

 

自那以后,累积了越来越多的证据表明我们一定丢失了某些东西。天文学家们看到的弥漫太空中的宇宙背景辐射的微小温度涨落,星系和星系团附近引力对光线的偏折,以及穿越太空的大尺度结构的宇宙网的形成,证实了单靠普通物质无法解释我们所看到的一切。

 

数十年来最流行的假说是,暗物质是由某种新的,不与光相互作用的,至今未探测到的粒子组成。而一种备选的解释,即我们拥有正确的粒子但是错误的引力定律,没有引起多少注意。

 

三十年前这一立场是合乎情理的。粒子暗物质的想法很受欢迎是因为那时物理学家们有其它的一些理由相信新粒子的存在。在1950年代和1960年代前后,物理学家意识到组成原子的质子,中子和电子并非存在的仅有粒子。在后来的几十年里粒子加速器开始发现到处都是新粒子;这些共同组成了粒子物理的标准模型,并开启了理论家们对更多可能性的想象。例如,将自然界基本的四种力统一为单独一种的努力需要在理论上假定一整套新粒子,而1970年代发展的超对称概念为宇宙中每一种已知的粒子预言了一种镜像粒子。这些理论推定粒子的一些可以成为暗物质的备选。对这一角色的另一猜测是一种叫做轴子的粒子,是发明来解释标准模型中的一个小参数的。但是过去三十年探测任何这些粒子的尝试都失败了,继续无视另一种备选的假说不再合理。

 

情况变得越来越明朗,暗物质范式的一些老问题仍然存在。

 

与此同时,暗物质由粒子组成的想法也受到了来自一个完全不同方向的压力。由我俩中的一个(麦戈高夫)与其他人一同收集和分析的新的天体物理数据与粒子暗物质的预言相冲突。情况也变得越来越明朗,暗物质范式的一些老问题仍然存在,尽管人们尝试了很多次去解决它们。

 

更新引力方程仍然是一条可行的前进之路。不同于往宇宙中添加粒子来解释看起来在星系和星系团中存在的额外引力,我们可以改为维持现有粒子,但是增强它们彼此作用的力。尽管经常被置之不理或是嗤之以鼻,这些被称为修正引力的理论从来没有被排除掉。如今是一个很好的机会来重新考虑这种可能性:我们一直在错误的地方寻找错误的东西。是时候更仔细地审视修正引力了。

 

暗物质 对比 修正引力

 

天文学家很久以前就注意到宇宙看起来缺失了质量。理论家们提议某种隐藏的粒子,称作“暗物质”,必然在宇宙中存在,以解释恒星在星系中以及星系在星系团中的运动。但实验并没能找到暗物质。一种备选的想法——我们的引力方程需要修正——值得再次审视。



                        


调整引力

 

最初由以色列物理学家莫德海·米尔格罗姆于1983年提出的修正引力改变了决定引力如何从质量产生的数学规则。在大多数情况下(也就是说,在牛顿引力是一个很好近似的非极端情形下),我们用平方反比律来描述引力:两个物体之间引力的强度取决于它们的质量,并随着它们之间距离的平方的倒数衰减。这一定律是非常经典的,并在物理学中到处出现,从描述光的强度如何随距离减弱的方程到描述声压的规则。但如果引力并非始终遵循平方反比律,会怎样呢?如果在某些情况下这些方程必须调整,会如何呢?

 

米尔格罗姆的最初提议——修正牛顿力学(modified Newtonian dynamics,简称MOND)——仅仅处理牛顿引力。然而爱因斯坦的广义相对论告诉我们引力并非是一种力,而是时空曲率诱导出来的。原始的MOND想法的这一局限性可能是许多物理学家没有认真对待它的关键原因。不过我们现在知道了好几种方式来使MOND与广义相对论相容,每一种采用表现稍有差异的不同类型的场来描述引力如何从质量产生出来。我们把这10种左右更完整的理论统一称作修正引力。纯粹从理论根据上驳回它们不再具备正当的理由。对修正引力的另一个反对理由是,从粒子物理的视角来看,它的数学形式看上去并不优雅。它不仅看起来很陌生,而且比起粒子暗物质更难处理,而后者只需要用到标准课程里交过的技术。尽管这些因素可以解释这一想法的不受欢迎,它们并不能当成科学依据来忽视它。

 

尽管修正引力很有潜力,科学家们在这一前沿上却把他们几乎所有的能量投入到了暗物质的搜寻中。从1980年代中期开始,已经有数十个项目搜索了预言中的暗物质粒子与常规物质之间的稀有相互作用。这类实验将处于极低温度下的大箱液化惰性气体或是精心制备的固体放置于严密屏蔽的环境例如地下矿井中以避免宇宙辐射的污染。高灵敏度的探测器静候着一个暗物质粒子从液体或固体靶中的一个原子核反弹时的报警信号。

 

最近的一轮暗物质搜寻刚刚给出结论。极其灵敏的南达科他州大型地下氙(Large Underground Xenon,简称LUX)暗物质实验和中国四川省的PandaX-II(即粒子和天体物理氙探测器),如同它们之前的所有其它暗物质探测实验一样,最近报告称没有看到可构成暗物质的粒子的任何迹象。意大利格兰萨索国家实验室的XENON1T(XENON100的升级版,而XENON100又是XENON10的升级版)的首批结果也是负面的。日本的超级神冈探测器也没有看到质子衰变的任何信号,而这一衰变如果观测到,将会是基本力的大一统的证据,进而使不可见粒子一定存在的想法令人信服。与此同时,位于日内瓦附近的CERN的大型强子对撞机(LHC)的科学家们也一直在寻找具有暗物质的适当性质的新粒子,但没看到它们的任何迹象。除了预期的希格斯玻色子,LHC根本就没发现任何新的粒子。

 

当然,这些负面结果并没有排除掉暗物质。粒子暗物质理论已经变得越来越繁复,甚至可以说是人为谋划的。为了避免与实验零结果相冲突,理论家们现在假定这些粒子与常规物质的相互作用强度比最初设想的更加微弱。一些研究者们开始在最初的新粒子之外假设新的力和额外的粒子种类。这种不可见粒子的增殖已经在文献中变得如此普遍,它们甚至被给予了一个统一的称呼:“暗区”。

 

对比各种理论

 

在没有新粒子的任何迹象的情况下,我们应该询问:暗物质和修正引力分别对我们从自然中已经获知的现象解释得如何呢?

 

大体来说,宇宙中包含五倍于常规物质的暗物质这一假说对我们所处的宇宙解释得很好。尽管暗物质的微观性质可能很复杂,整体上它遵循简单的方程。我们可以将暗物质描述为像是没有内部压力的一种流体,仅由空间中粒子平均密度这一个变量表征。

 

将暗物质当成一种无压力流体来处理足以得出我们观察到的宇宙微波背景的模式。在宇宙大尺度结构的形成上它也运作得很好。当早期宇宙膨胀而物质冷却时,暗物质因为不能建立内部压力会在引力的牵引下比常规物质更快地聚团。在这之后常规物质才会在暗物质云中聚集并形成星系。这一方案与我们的观测结果在许多方面都吻合得很好。


粒子暗物质也能解释星系中恒星的运动,如果我们在需要的地方分配适当的份额;星系团也可以用差不多同样的方式来操作。因为理论家们可以如此弹性地分布暗物质,他们可以让所有当前的观测结果与广义相对论的预言相符。

 

但暗物质的这种弹性也正是它最大的缺点。星系不是粒子,没有哪两个会相同。每一个星系都有它独特的历史;每一个都在引力的牵引下呈现为它独特的数十亿颗恒星的精致舞蹈。一些年轻的星系会相撞并形成更大的星系。有些则不会。有些星系最终会变成旋转的圆盘形,有些则成为椭圆的蓬松球。有时候暗物质会通过引力牵引捕获大量常规物质;有时候则不会。因为存在如此多的变数,你会期待多样性,而不是刚性的规则。但观测数据完全不支持多样性。

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2016年麦戈高夫和他的同事们在超过150个星系中进行了数千次测量,并把它们中常规物质的预期引力与推定为暗物质与常规物质共同导致的观测到的引力相比较。他们发现的情况非常令人惊讶:二者之间存在一种强烈的关联。事实上,一个简单的方程将每一个星系中表观的暗物质份额与常规物质的份额联系起来;对这一曲线的偏离很小,且极少出现(见上图)。

 

在将这两类物质当成独立成分对待的计算机模拟中很难重现这一关联。科学家可以使模拟结果跟数据吻合,但他们必须引入大量不得不精心选定的参数。与此截然不同的是,修正引力直接预言了这一关联。因为这一方案仅仅涉及一类物质——常规物质——理所当然地总引力紧密地追随可见物质导致的引力。米尔格罗姆甚至在1980年代早期预言了这一观测结果。


不寻常的星系

 

还有其他问题伴随着暗物质假说——例如,“低表面亮度星系”。在这些暗淡的星系中,可见物质分布得比类似于银河系的星系中更加稀薄。

 

暗物质假说最初引导我们预期低表面亮度——即具有较少可见物质数量——的星系一般来说应该也具有较少数量的暗物质。科学家们设想在这些星系中处于远离星系中心轨道的恒星会比在同样大小的常规星系中运动得慢一些,因为拉着这些恒星沿它们的轨道运动的总引力要小一些。然而当数据出来时,这一预期居然完全是错的。这些不寻常的星系的外围恒星跟在常规星系中运动得几乎一样快,表明在低亮度星系中其实存在着大量物质,哪怕恒星很稀疏。结果表明在这些星系中,暗物质与常规物质的比值必然比最初预计的要高得多。但为什么会这样呢?

 

最初,暗物质假说并没能提供解释。不过正如我们已经注意到的,它是一种非常弹性的假说,所以当理论家们寻求解释这一奇怪情况的方案时,他们找到了。

 

为了使观测与理论相符,科学家们不得不微调每个星系中的暗物质数量使其依赖于恒星的表面亮度:系统越暗淡,暗物质越多。这样做需要某种机制来剥离这些星系形成时的发光物质,使得物质比值向暗物质倾斜。当前最流行的方法是在计算机模拟中加入“恒星反馈”。恒星反馈是由大质量恒星以高能光子照射周围的气体产生的压力导致的,进而刮起强烈的恒星风,最终导致超新星爆发。这些巨型的爆炸能将物质喷出星系。而由于暗物质相互作用非常微弱,这一喷出对常规物质的影响比暗物质大得多。于是碰巧发生多次超新星爆发的星系最终会具有大幅增长的暗物质份额。

 

不过尽管我们知道恒星反馈在恒信和恒星团形成过程中扮演者重要的角色,它在星系形成过程中的角色并不那么清楚。为了解决低亮度星系这一问题,超新星爆发的能量必须差不多全部用来将物质推出星系。可是如此高水平的效率对于一个自然发生的过程来说简直难以置信。另一方面,修正引力并不需要引入反馈就可以预言观测到的结果,就跟它预言常规星系中观测到的恒星转动速度一样。

 

更多问题

 

这一问题,即低表面亮度星系,远非粒子暗物质仅有的缺点。例如,这一理论预言星系核心处物质密度达到顶峰,与我们观测到的相反。它还预言了比我们观测到的少得多的白矮星小星系,并且没能成功预言星系和他们的卫星星系在同一个平面内排列的方式。这些还只是最显著的分歧。修正引力在所有这些方面都做得更好。

 

特别地,星系核心处密度峰的缺失与暗物质的描述符合得如此之差,以致当数据刚出来的时候,许多天体物理学家都怀疑它们是不是对的。最初,理论家声称测量的分辨率不够。当后续数据解决了分辨率的问题,他们又归咎于其它系统误差。可是在多个组获得了更多的几轮数据后,结论仍然是一样的:暗物质在解释我们在星系中心处的观测结果上表现得很糟糕。


的确,在计算机模拟中引入恒星反馈和其他天体效应可以缓和这些矛盾。因为这些额外的过程引入了更多参数到模拟中,研究者们可以将软件调到产生出跟我们的观测非常相似的星系。这些模拟出来的星系于是也能重现观测到的粒子暗物质与常规物质的份额之间的关联。然而,这些计算机模拟不能提供的是对这一关联起源的任何解释。

 

而修正引力还有另一个优点。与暗物质模拟相反,修正引力能解释小星系被囚禁在更大一些的星系的引力场中时的行为。比如,它在计算最近发现的一群白矮星星系如何围绕我们近邻的仙女座盘旋时是极其成功的。这些微小的白矮星(星系)受到其巨型宿主的强大的引力,比它们内部的引力大得多。在这样一种情形下,修正引力给出了与孤立存在的白矮星星系完全不同的一种预言,而我们发现正是这种独特的预言在观测结果中实现了。然而,如果我们以粒子暗物质来拟合数据的这一方面,则需要在计算机模拟中加入更多的假设。

 

一次碰撞提供了线索


子弹星系团是在很久以前碰撞在一起的一对星系团。它是一种高速头碰头的稀有事例。从可见光和X-射线获得的图像(红色),与引力如何使光偏折(引力透镜)的测量(蓝色)一起揭示出在每个星系中总质量和引力的中心与可见质量的中心是错位的。

Bullet.png    科学家们经常宣称子弹星系团是支持粒子暗物质的证据。因为这类粒子会比常规物质的相互作用更弱,对撞会容许星系团的暗物质穿过彼此,而可见质量则因自相互作用而滞后。这个故事跟我们的观测相符,只是过于简单粗暴。

   在修正引力中,引力聚焦的点也可以与常规物质错位。这个之所以能发生,是因为所有的力,包括引力,都被认为是由一种特殊类型的粒子所传导的。这些粒子满足它们独特的动力学定律。当修正引力把这些载体粒子潜在的反弹考虑在内时,它也能预言我们在子弹星系团中所看到的。

    更重要的是,这种星系团是一种非常极端的事件,一种统计学异常值。仅仅是它的存在性,就很难以粒子暗物质或是修正引力来解释。利用它作为证据来支持或反对任何一种方案,都只是在不断证实我们自己的偏见而已。

 


不过我们应该公平些:尽管具有这么多预见性的成功,修正引力也存在严重的问题。尽管它在跨越很大范围的不同种类星系中都运作良好,它不能很好解释星系团中的运动。而在整个宇宙的行为上,修正引力一片空白。在这些情形下,粒子暗物质运作得好多了。它可以解释宇宙微波背景的性质和在宇宙范围内星系的分布,而修正引力都不能给出答案。然而,如果因为修正引力不能处理这些情况就抛弃它,则错失了要点。这一理论已然做出了许多成功的预言。尽管我们仍然不能理解其中的原因,忽视它只会于事无补。

 

前  行

 

可以看出,粒子暗物质和修正引力都各有优缺点。一些近期的理论进展启示真相可能介于二者之间:一类粒子暗物质可以伪装成修正引力。

 

2015年宾夕法尼亚大学的贾斯汀·库利和他的同事们发现某些类型的粒子暗物质可以变成超流体——流动时没有阻力的流体,其中量子效应起着主导作用。当超流体暗物质聚集在星系中时,其量子性质能产生一种很像修正引力的长程力。这一超流体自身也有引力,但根据库利的假设,我们现在指定给暗物质的大多数效应并非来自其引力,而是超流体与常规物质的直接相互作用。这一现象可以解释为何我们见证的作用在星系中常规物质上的力很难用引力来说明:它并非由引力导致的。

 

真相可能介于二者之间:一类粒子暗物质可以伪装成修正引力。

 

暗物质是一种模拟修正引力的超流体的想法也能澄清为何修正引力对星系团不太适用。在大多数星系团中,引力不足以强到让粒子变成超流体。在这些情形下,他们表现得像常规流体——也就是说,他们表现得像粒子暗物质。

 

此外我们中的一个(霍森菲尔德)偶然注意到,超流体概念与阿姆斯特丹大学的埃里克·韦尔兰德所发起的另一研究思路相符。韦尔兰德利用弦理论的想法来论证宇宙中包含比我们能看到的更多的物质的印象是由空间对物质存在的一种反作用造成的一种错觉。尽管这一见解听起来跟库利的超流体假设完全不同,在两种情况下的关键方程是几乎一样的。

 

这一研究思路还很稚嫩,并且可能是一条死胡同。不过它例示了对修正引力给予近距离审视后或许可能帮助渡过当前暗物质搜寻的停滞阶段。

 

而且很快会有新的数据出来帮助确定真相。传统粒子暗物质,修正引力和超流体暗物质对低表面亮度星系做出了完全不同的预言,而这一点可以在不远的将来得到检验。暗能量巡天项目目前在辨认这类星系,而大口径全景巡天望远镜在明年上线以后应该能找到数百个。这些理论在描述宇宙早期最初的星系形成时也都各不相同。这些星系应该能被计划于2020年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜观测到,而未来的长波射电观测将探查到更早期的黑暗时代。

 

引力波天文学的到来也将给予我们新的线索。激光干涉引力波天文台(LIGO)最近探测到了由两个中子星碰撞产生的引力波。与此同时,多种望远镜观测到了同一事件发出的不同波长的光。这些观测以极高的精度表明,引力波以跟光一样的速度行进。这一发现排除了一些修正引力的变体,当然不是全部。

 

目前只有数十个科学家在研究修正引力,然而有数以千计的科学家在搜寻着粒子暗物质。有可能修正引力是错的,但也有可能科学家团体并没有付出真诚的努力来确切地了解它。宇宙惯于使我们感到惊奇;我们应该准备好以开放的思想迎接未来数据将揭示的一切。繁星中也许仍隐藏着奥秘,但她们已处在严密的监视中。


 

MORE TO EXPLORE


Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies. Stacy S. McGaugh , Federico Lelli

and James M. Schombert in Physical Review Letters, Vol. 117, No. 20, Article No. 201101; November 11,2016. Preprint available at

https://arxiv.org/abs/1609.05917

Covariant Version of Verlinde’s Emergent Gravity. Sabine Hossenfelder in Physical Review D, Vol. 95,

No. 12, Article No. 124018; June 15, 2017. Preprint available at https://arxiv.org/abs/1703.01415

 

FROM OUR ARCHIVES


Does Dark Matter Really Exist? Mordehai Milgrom; August 2002.

Mystery of the Hidden Cosmos. Bogdan A. Dobrescu and Don Lincoln; July 2015.

 




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