没有暗物质的宇宙长什么样？_风闻

原创：牧夫天文

翻译：周唯亮

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

原文链接：     

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

自1960年代以来，天文学家和宇宙学家之间已达成普遍共识，即宇宙的大部分是由看不见的神秘物质（称为暗物质）所组成的。尽管科学家们尚未确定构成这些质量的候选粒子，但间接测试和模拟表明，暗物质一定存在，这样才能使宇宙保持它本来的样子。

令人着迷的是，一组欧洲研究人员进行了一次模拟，研究了一种没有暗物质的宇宙。该团队使用另一种称为修正牛顿动力学（MOD）的理论，创建了一个计算机模型，其中的星系与我们今天在宇宙中看到的非常相似。这些发现可能有助于解决现代宇宙学最持久的谜团之一。

由波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究所的帕维尔·克鲁帕（Pavel

Kroupa）教授领导的恒星种群与动力学研究小组（SPODYR）所进行的研究描述了这些发现（最近发表在《天文物理期刊》上）。团队成员中有SPODYR的博士生尼尔斯·维滕堡（Nils Wittenburg）和斯特拉斯堡大学的研究主任贝诺伊特·法玛（Benoit Famaey）。

我们怎么知道暗物质确实存在？

修正牛顿动力学理论认为重力的行为与以前所认为的不同（取决于尺度），该理论最早由以色列物理学家莫德海·米尔格罗姆（Mordehai Milgrom）教授提出，因此也称为“ Milgromian重力”。根据这一理论，两个物体之间的吸引力仅在一定程度上服从牛顿运动定律（也就是万有引力）。

在较低的加速度下（像星系那样），重力的影响变得更加强烈。简而言之，物体的引力不仅取决于自身的质量，还取决于其他物体是否在其附近。这个理论可能解释了为什么星系不会因其旋转速度而破裂。

修正牛顿动力学理论（MOND）很有吸引力，也是因为它使“暗物质”（尚未确认）的存在完全多余。尽管如此，MOND仍然是一个未经验证且未经检验的理论，这也正是维滕堡（Wittenberg）和他的同事们试图解决的问题。在法玛（Famaey）的帮助下，该团队采用了计算软件进行了引力计算（计算算法由Wittenberg的研究团队所设计）来模拟MOND所在的宇宙。

这包括模拟第一批恒星和星系的诞生（目前普遍认为它们是在大爆炸之后的100,000至300,000年之间形成的）以及它们如何演变。非常有趣的是，他们发现计算机生成的星系中恒星的分布和速度所遵循的模式与当今宇宙中可见的模式相同。

正如该研究的主要作者维滕堡（Wittenburg）所解释的那样：“在许多方面，计算机模拟的结果与我们用望远镜实际观察到的结果非常接近。此外，我们的模拟结果主要是形成了旋转盘状星系，例如银河系以及几乎所有我们所知的其他大型星系。另一方面，含有暗物质的模拟创造出的星系则绝大多数没有明显的物质盘，这与观测结果的差异是难以解释的。”

此外，MOND模拟几乎不受参数变化的影响，例如超新星的出现频率及其对星系中物质分布的影响。但是，在模拟中假定存在暗物质的情况下，这些参数的变化会产生很大的影响。这并不是说MOND模拟在所有方面都是正确的。

例如，这些模拟依赖于一些相当简单的假设，这些假设主要是关于物质分布和早期宇宙中出现的一些状态。“我们的模拟只是第一步，” 克鲁帕（Kroupa）教授强调说，“现在我们必须重复计算，并加入更复杂的影响因素。然后我们将看看MOND理论是否能真正解释现实。”

在涉及到规模最大、时间最长的宇宙的动力学和行为时，我们长久以来仍无定论。尽管“暗物质”的存在尚未得到证实，但它是唯一与广义相对论相一致的宇宙学理论，而广义相对论是一种不断被证明的理论，也是关于重力如何在宇宙学尺度上表现的唯一可行的假设。

宇宙的大爆炸时间轴。宇宙中微子在发射时会对宇宙微波背景辐射（CMB）产生影响，其后来直到今天的所有演化都是物理学研究的范畴。

图片来源：NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky（GSFC）

尽管MOND为暗物质提出的理论问题提供了一些解析，但它也提出了自己的问题。在不久的将来，许多有助于解决这个谜团的下一代天文观测站将进入太空，包括詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和欧空局的欧几里德任务。

这些以及其他的观测任务将更好地描绘宇宙的图景，并改善对宇宙膨胀的测量方法。由此，科学家们希望更好地了解暗物质是如何影响宇宙演化的，更不用说暗能量了，那也是一个宇宙学之谜，也是学界辩论的热题！

延伸阅读：University of Bonn, arXiv

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

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

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