什麼樣的神秘力量在維護著星系的和平

上個世紀，當天文學家觀測星系的運動時，他們意外的發現，星系轉的太快了！如果僅僅用星系內部所包含的可見物質計算，那麼它們早就應該分崩離析。簡單的說，銀河系就不會存在。

為了解釋是什麼樣的神秘力量在維護著星系的和平，科學家提出了兩種可能性。

一種是暗物質，它能夠產生引力作用，從而幫助將星系聚集在一起而不至於被撕碎。當然，如果你問暗物質究竟是什麼，沒有人知道，但科學家提出了許多種可能性。然而，暗物質並不是唯一的選擇。1981年，Moti Milgrom提出了「修正牛頓引力理論」（MoND），他發現如果我們將牛頓引力中的加速度稍微改變一點點，就可以解釋這些星系的自轉速度。這樣的修正可以解釋所有的星系自轉，從最小的到最大的，而且至今都跟觀測符合的相當好。

圍繞著銀河系的暗物質暈（Dark Matter Halo），提供了額外的引力來源。（圖片來源：ESA）

然而，在過去暗物質一直更加備受青睞，因為它能夠解釋一系列現象，比如大尺度星系團以及螺旋星系內的氣體和塵埃運動等。而MoND雖然能夠非常好的解釋星系的自轉問題，但是它所能做非常局限。或許MoND本身就不是一個完整的理論，它只是完整理論中的一部分，解釋了其中一個現象。這樣的想法有很多追隨者，很多人都在研究MoND的延伸理論，但目前並沒有一個理論能夠脫引而出。

但是，只要科學家沒有在探測器中發現暗物質的蹤跡，對引力進行修正都將是強有力的競爭者。而且，去年的時候，科學家發現星系的自轉似乎和可見物質的分布存在著相關性。這使暗物質受到了挑戰，而MoND模型卻得到了復興。

然而在一個最新的研究中[1]，科學家利用計算機模擬，不僅考慮了星系中的恆星和暗物質，也包括了星際氣體。在模擬星系的形成和演化中，他們同樣發現了物質的分布和它們的自轉之間的相關性。同時，他們也發現了，在他們的模型中的星系的質量、大小和光度之間的關係，跟觀測的相符。因此暗物質在解釋星系的自轉動力學中，跟MoND表現的同樣出色。

哈勃太空望遠鏡的阿貝爾370星系團「前沿領域」圖像。（圖片來源：NASA, ESA, and J. Lotz and the HFF Team）

當然，或許你會說這只是計算機模擬出來的結果。但是，就在前幾天，哈勃太空望遠鏡發布幾張全新的圖片。這些圖片不僅顯示了宇宙中的星系要比我們想像中的多的多，同時也暗示著或許有更多的暗物質存在。

圖中顯示的被扭曲的星系其實是一個距離兩倍於阿貝爾370遠的一個星系的兩個圖像；這是引力透鏡的一個結果。（圖片來源：NASA, ESA, and J. Lotz and the HFF Team）

在距離地球60億光年外有一個巨大的星系團，名為阿貝爾370。在上面的這張圖片中可以清晰地看到一條明亮光弧。這條光弧並非是星系團中一個被拉伸的星系，而是一個距離兩倍於阿貝爾370的一個星系的兩個圖像。

根據廣義相對論，質量會彎曲它周圍的空間，當光線經過時就會被彎曲，就好像是通過透鏡一樣。引力透鏡是愛因斯坦的引力理論中一個重要的預言。整個系統包括：觀測者（Earth）、前景星系（Foreground galaxy）和遙遠的背景星系（Distant galaxy）。（圖片來源：Herschel ATLAS Gravitational Lenses）

這個現象被稱作引力透鏡，它會將星系拉伸成條紋和弧形，並放大他們，形成多個圖像。然而，引力透鏡最神奇的作用是幫助我們重建星系團的物質分布。科學家發現，星系團大部分的質量都來自暗物質，才能夠解釋觀測到的引力效應。

儘管在圖中我們看到了許多巨大、橢圓的星系，但是物質密度最大的位置（圖中的虛線圓），無法對應於任何由已知普通物質構成的巨大星系或結構。目前唯一的解釋就是存在不可見的物質來源：暗物質。（圖片來源：NASA, ESA/Hubble, HST Frontier Fields / E. Siegel）

當然，這並沒能夠完全排除MoND的可能性。因為在真正探測到暗物質前，誰也無法確定守護星系的超級英雄就是暗物質。

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