新研究排除了一个著名的引力替代理论

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新研究排除了一个著名的引力替代理论

原创 不二北斗 原理 2023-12-06 20:31 发表于浙江



暗物质 vs MOND  

在过去的几十年里，当天文学家对星系进行观测时，发现了非常令人困惑的现象。

牛顿和爱因斯坦的理论告诉我们，引力与距离的平方成反比，这就意味着那些距离星系中心更远的天体所感受到的引力，比靠近星系中心的更弱，所以它们的绕行速度也会更慢。然而，真实的观测却告诉我们，天体的速度在超过特定的距离后就会开始趋于平稳，而不是像预期那样下降！


星系自转曲线。（图/原理）

如果说星系边缘的天体的运动速度真的如此之快，那么它们早就应该逃离星系的掌控，导致星系分崩离析。但星系却又如此稳定，这是为什么？今天，大部分人都认为，在星系中，除了那些熟悉的恒星、行星、气体云之外，应该还存在大量看不见的物质，也就是暗物质。星系被巨大的“暗物质晕”所包围，从而提供了额外的引力。

尽管大多数人都相信暗物质是真实存在的，但也有少数理论学家选择了在不同的道路上探索。上世纪 80 年代，米尔格罗姆（Mordehai Milgrom）提出了“修改的牛顿动力学”（MOND 理论）。MOND 理论试图通过修改引力物理学来解释将星系束缚在一起的额外的引力。

MOND 理论引入了一个基本的加速度标 a0，当加速度小于 a0 时，引力场就会与牛顿的理论预期有很大的偏差。利用一些与银河系性质相似的圆盘星系的自转曲线，a0 的值被确定为 1.2×10^-10 m/s^2 。几十年来，这个值都非常稳定。



在牛顿和爱因斯坦的引力理论中，对于加速度可以小到什么程度是没有限制的。但米尔格罗姆指出，当加速度小于 a0 = 1.2×10^-10 m/s^2 时，引力并不遵循牛顿动力学的预测。

检验 MOND

过去的研究表明，用 MOND 理论来预测星系的旋转基本上和暗物质所能达到的效果一样好。这就意味着，我们需要一种能够明确区分两者的测量方法。

“远距双星”系统一直被认为是可以用于验证 MOND 理论的天体。这是因为在这样的系统中，加速度足够小。在一项发表于《皇家天文学会月报》的新研究中，研究人员利用盖亚天文卫星（Gaia）DR3 的数据，研究了远距双星。这项研究包含了距离是地日平均距离的 2000 到 30000 倍的远距双星。具有这些特征的双星会经历一系列能使科学家可用于区分 MOND 理论和牛顿理论的加速度。

那么，他们发现了什么？研究结果非常明确地支持了牛顿的理论而非 MOND 理论，它表明牛顿动力学能更准确地描述远距双星的轨道行为。测量结果以 16σ 的置信度排除了 MOND 理论，远远大于被认为是确认标准的 5σ 。

值得一提的是，在今年 7 月的另一篇论文中，研究人员同样是用到了盖亚卫星探测到的远距双星数据，却得出了完全相反的结论。在新篇论文中，研究人员分析了先前的研究，他们把数据分成两类，一类是测量结果精确的远距双星，另一类是数值结果存在显著不确定性的远距双星。他们发现，当在数据分析中包括测量不佳的远距双星时，分析结果显示出对 MOND 理论的支持；但当只使用精确测量的远距双星时，数据强烈支持牛顿动力学。

暗物质是真实存在的？  

那么这项研究结果是否能够证明暗物质是真实存在的？答案是否定的。这项研究只是告诉我们，如果新的测量能够进一步得到证实，它就证明了 MOND 理论是不正确的，但它并没有排除暗物质的其他替代理论，其他的理论仍然有可能是正确的。

此外，虽然远距双星之间的距离非常大，但与星系的大小相比，这仍是非常小的。MOND 理论在星系级别的尺度上仍然有可能适用，但不适用于大型恒星系统的尺度。

未来，如果这个结果得到证实，那么对于我们寻找星系为何旋转如此之快的答案来说，会是一个非常重要的进展。虽然它无法做到像那些决定性的发现那样令人满意，但对其他理论的决定性证伪是科学进步的方式。正如在故事《四签名》中夏洛克·福尔摩斯所说的那样：“当你排除了一切不可能的情况，剩下的无论多么不可能，都一定是真相。”

# 创作团队：

撰文：不二北斗

排版：雯雯

# 参考来源：

https://academic.oup.com/mnras/a ... 7342478?login=false

https://bigthink.com/hard-scienc ... agazine%2FBig+Think

# 图片来源：

封面图 & 首图：ESA/Hubble