暗物質理論或將面臨巨大挑戰

星系內恆星的運動模式與暗物質理論有矛盾？

NGC 7331星系。Adam Block / 萊蒙山天空中心 / 亞利桑那大學

暗物質是否存在？這或許是我們宇宙中最大的謎團之一。天文學家通過觀測可見物質得出的星系、星系團等大尺度結構的質量，和這些天體的運動方式對應不起來。我們看到的這些天體，似乎原本早就應該分崩離析。除非我們假設宇宙中存在一種看不見摸不著的「暗」物質，現有的物理學理論才可以解釋我們眼中所看到的宇宙。

假如「暗」物質確實存在，那麼根據我們的經驗，它必然是不發光的，既不會和可見物質發生電磁作用，也不會和可見物質發生核力作用。也就是說，它只會通過引力，和這個宇宙的其餘部分發生作用。而且，暗物質的含量必然十分巨大，甚至於宇宙質量的大部分，應當歸於暗物質。

假如暗物質確實存在，那麼它必然在宇宙的極早期就已經產生了。令科學家慶幸的是，許多存在於大尺度上的觀測證明，都堅定地指向了暗物質的存在。

但是在較小的尺度上，比如單一星系內，尋找暗物質的天文學家們，最近卻遇到了一個不小的麻煩。

后髮座星系團。維基共享資源

星系中的恆星之所以會圍繞著星系運行，是因為受到星系質量所產生的引力影響。恆星受到的引力越大，它的徑向加速度就越大，因此才不會被引力拉向星系中心。根據現有暗物質理論，星系中的暗物質並未聚集在星系的中心，而是分布在一個把星系籠罩起來的暗物質「暈」中。暗物質暈包含了星系的大部分質量，大部分暗物質也包含在這個暈中。

最近，三位科學家Stacy McGaugh、Federico Lelli和James Schombert，在《物理學評論通訊》上發表了一篇論文，列舉了針對153個不同星系的觀測數據。

在這其中，浮現了一些非常出人意料的結果：在他們的數據中，星系內引力加速大的地方，徑向加速也大，反之亦然。也就是說，星系內恆星的運動速度，和星系中可見物質的分布情況存在著對應關係。而且，這種對應關係在各類星系身上廣泛存在，且不和可見物質是否聚集在星系中心有關。

這是一個經驗性的結論。但卻是為何？三位學者列舉了三種可能。第一種是，這種對應關係和星系形成時的動力學特性有關。它們之間究竟存在著什麼樣的關係並不知道，但畢竟我們對星系演化的了解也不多。第二種可能是，星系中暗物質的分布和可見物質的分布存在著關聯。這就需要修正暗物質理論，以使它們能夠在理論上具有和可見物質相同的聚集方式。第三種是，我們需要某種經過修改的引力動力學理論，來取代暗物質理論。

模擬出來的那些暗物質「暈」，在現實中是否真的存在？假如暗物質確實是宇宙間許多天體結構間引力行為的始作俑者，那麼為什麼在星系中又會存在這種和可見物質有關的對應關係？假如暗物質理論是對的，那麼它必須能夠解釋這一切。

正如有的學者所說，「流行的宇宙學模型，對於解釋我們在這個宇宙中觀測到的一切，是極為成功的。但是哪怕只有一個觀測結果讓我們夜不能寐，我們就要反思它在根本上是否有問題。」

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