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困扰人类100年的“暗物质”是个幻觉?是引力出了问题?

我们继续说暗物质,上节课我们说了,上世纪的30年代、70年代人们发现了星系、星团中有质量缺失,说白了就是根据星光所测量出来的物质它们能够提供的引力,不足以解释星系的转动速度。

也可以理解为,一个星系由发光物质所提供的引力太小,如果星系按照目前的转动速度的话,它肯定会解体,但事实上,星系人家转得好好的,这就说明,有一部分物质给星系提供了额外的引力,但我们不知道它是啥。

当时根据引力测量出来的质量,比根据星光测量出来的质量大了50倍。这个差异还是相当明显的。所以我们需要解释这50倍都差在了哪?

人们首先考虑了一种可能的解释,我们知道星系中除了恒星以外,还有很多不发光、或者说不发出可见光的物质,比如说,行星,褐矮星、恒星遗迹、黑洞、气体云、尘埃等等这些由普通物质构成的东西。

如果把这些东西都算进去的话,再加上恒星的质量,是不是就可以抹平这50倍的差异了。所以我们需要对宇宙做一次大规模的人口普查。看一下,除了恒星以外的物质到底有多少?

首先是等离子体和气体云,这两种东西在星系、星系团中,以及星系际介质中大量存在,数量非常的可观,不过它们基本上在可见光波段看不到。如果我们在X射线波段或者是紫外线波段观察的话,就能看到等离子体了。

现在我们看到的这张照片是阿贝尔2744星系团,里面包含了过热的等离子体,温度高达数千万摄氏度,在X射线波段有强烈的辐射,图中蓝色部分就是钱德拉X射线天文台观测的结果,背景中的星系是哈勃望远镜在可见光波段观测的结果。

可以看出,等离子体大量地存在于星系,或者是星系团之间,因此这种状态的物质也被称为“暖热星系际介质”。

除了等离子体以外,在星系和星系团的内部还存在着大量的中性气体云,经过大量的测量,如果我们把气体分子和等离子体都加起来,它们的总质量只比恒星的总质量大了7倍左右,远远补不齐50倍的窟窿,只能解释所需引力效果的14%。

下面我们继续寻找其他类型的物质,比如说褐矮星。这是一类失败的恒星,它们的质量介于13个木星到80个木星之间,低了就是巨型气态行星,高了就是最小的红矮星。

因此红矮星不热也不冷,虽然它不能进行氢到氦的聚变,但还是可以生成一些氘,释放出一些能量,不过这些能量不足以让褐矮星发出可见光,所以我们只能在红外线波段看到它们。

通过大量的搜寻,我们发现褐矮星的数量还不少,但它们的质量比恒星要小得多了,因此他们对所需引力的贡献远小于1%。

除了褐矮星以外,在星系中还有一类天体,它们不会发出任何可见光,也无法在红外线波段看到它们,其中包括像月球、地球这样的岩石星球,或者是像土星、木星这样气态星球。

想找到它们一般有两种常用的办法,凌星法和微透镜法,凌星法说的是,当一颗行星距离它的母恒星比较近的时候,而且这颗行星还必须处在母恒星和地球的连线上,如果它现在经过了母恒星的盘面,我们就会看到母恒星的亮度轻微的下降。通过这个方法我们就能发现一些系外行星了。

微透镜说的是,当一颗行星距离它的母恒星比较远的时候,当他经过地球和母恒星的连线的时候,我们就会看到母恒星的亮度会轻微的上升,这是广义相对论质量弯曲时空的原因。

当然还有一些其他的方法,比如视向速度法、天体测量法,甚至还有直接成像法等等这些方法,寻找系外行星,这类天体还有一个比较高大上的名字,叫晕内大质量致密天体。我们通过寻找这些天体,经过推算,这些东西的总质量加起来最多也只能满足所需引力的1%。

还有尘埃云,星系中的尘埃是由一些大小不同的物质颗粒组成的,我们现在看到的这张照片中的星系叫M104,距离我们大约2800万光年,左下的图像是哈勃太空望远镜在可见光波段下拍摄的,右下的图像是斯皮策太空望远镜在红外线波段拍下的。

在红外波段下,可以很明显地看到M104的尘埃环,这类物质数量看起来非常多,但是在尘埃最多的星系中,它们的质量也只有整个星系的1%。

最后剩下的一类物质就是已经死亡的恒星残骸,它们包括白矮星、中子星和黑洞,这些东西虽然发光不强,甚至不发光,但是我们还是有办法能够找到它们。

比如说在无线电波段,我们可以找到中子星,通过引力透镜我们可以发现黑洞,在红外波段、或者可见光波段可以看到白矮星,经过大量的观察统计,我们发现这些天体的总质量没有现有恒星的总质量大。所以依靠它们也不可能弥补引力的缺失。

那么总的来说,就算把现在已知的所有类型的物质都加起来还是堵不住质量缺失的这个窟窿,最多只能解释所需引力质量的16%。也就是说,之前引力质量比星光质量大了50倍,现在这个窟窿被我们缩小到了差不多6倍。这说明在宇宙中,还有一些我们不知道的东西,它们比我们已知的所有物质多了将近5倍。

所以说,通过大规模的人口普查,我们没有解决质量缺失的问题,再加上人们根据螺旋星云中普通物质分布的情况来看,大部分的物质都聚集在星系的中性区域,越往边缘物质就越稀少,那么按理来说它们的转动速度会明显的降低,但事实上,即使在没有星光的周边区域,那里的转速并不比中心区域的物质慢。

因此人们就猜测,有一种我们看不见的物质,它们不发光,也不反射任何光线,说白了就是它们没有电磁相互作用,但它们大量的弥散在星系的周围,组成了一个包围整个星系的晕带,称为暗物质晕。是它们给星系提供了额外的引力,使得星系的转动情况看起来好像不满足现有的引力理论。

但这时就有人提出了不同的想法,也就是我们说的第二种解决办法。为什么我们非要觉得自己的引力理论就是正确的?如果引力理论是错的,就没有所谓的暗物质问题了。

在1981年的时候,科学家“米尔格罗姆”首先提出了这个想法,他认为我们现有的引力理论也只是在太阳系的范围内进行了验证,在大尺度上可能并不实用。

就像是牛顿当年的理论,在强引力场下就需要做出修正,因此有了广义相对论,现在我们在大尺度上在对引力理论做出修正,说不定就会获得意想不到的效果,因此他就提出了一个解决的办法叫“修正牛顿动力学”。简称“MOND”。

其实就是给星系这个系统中的各个部分添加一个额外的加速度,至于这个加速度的大小是多少,可以根据星系转动曲线给它拟合出来,所以这就是一个纯粹的经验理论。

不过这个办法确实挺好用的,现在我们看到的这个图片就是'MOND'修正以后引力理论,和NGC1560星系的转动情况符合的很好。

再看一张图片,图中的红线是暗物质理论预测出来的星系转动情况,绿线是MOND预测出来的转动情况,蓝色的误差棒是实测转动情况。可以看出来,MOND在解释星系转动的问题上,甚至比暗物质理论表现得还要好。

那这是不是就意味,修正牛顿动力学就成功了,是一个正确得科学理论?老同学应该知道,这还差得远,一个正确得理论不仅需要解释现有得问题,他还需要解释旧理论已经解释得问题,并且提出新得预言,然后得到观测实证,所以说MOND想要成功绝非易事。

事实也证明了,他不可能成功,因为虽然他拟合了星系的转动曲线,但是却解释不了星系团的转动问题,而且MOND也不能解释广义相对论所做出来的所有的预测,比如星光弯曲、引力红移、引力透镜等等这些已经被观测证实的现象。

所以说,修正引力理论,在历史上并没有解决质量缺失的问题。而且从目前来看,我们的引力论好像也没有啥问题。至于以后会不会被修正,这是后话,至少在暗物质问题上,我们还不能拿引力理论开刀。

而且在往后的发展中,人们也找到更多关于暗物质存在的证据,下面我们就大概地了解一下就行了,这些证据都说明了,我们的宇宙中真的有绝大部分的物质是不可见的。

首先第一个证据来自于大爆炸核合成,以及微波背景辐射中光子的密度,再加上我们从原始气体云中测量出来的氢、氦、氘、氦3、还有锂7的比例,我们就能算出宇宙中重子的密度。进而我们就能够知道宇宙中有多少普通物质了,通过这个测量我们也能够知道宇宙中的物质总量比普通物质多了5倍。

第二个证据来自微波背景中的波动模式,比如我们之前说的重子声学振荡,有没有暗物质重子物质都会发生振荡,但有暗物质存在,会表现出不同的振动模式。具体可以看下之前的文章。

第三个证据来自于宇宙结构的巡天项目,有暗物质的存在可以帮助物质结构的快速形成,尤其是小尺度上的物质结构,比如一些小型的星系,星系群。那么没有暗物质的话,宇宙中不会存在像麦哲伦星系这样的小结构,也不会有我们的本星系群。就算更大一点的星系团这样的结构也会受到压制。

因为暗物质不与光子发生相互作用,它可以在小尺度上率先快速地聚集,进而促进物质结构的形成。

其实我们现在完全可以在计算机上去模拟星系、星系团、以及大尺度结构的形成过程,我们可以任意地设定模拟程序的初始参数,比如说给其中添加多少普通物质,添加多少暗物质,设定好最初物质的分布情况,当然这个模拟程序需要遵循已知的引力理论,然后开始模拟。

结果我们就会发现,一个完全不含暗物质的宇宙,跟我们现在的观测事实不符,只要给其中添加了5倍与普通物质的暗物质之后,模拟结果就会和观测事实在统计学上吻合的很好。

所以事实证明了,大爆炸理论要想复现今天的宇宙,就需要存在5倍于普通物质的暗物质。好了,今天的内容就到这里,下节课我们继续说暗物质,这个话题真的很大,那么下节课我们说一个,关于暗物质最直接的证据,可以说我们已经观测到了暗物质所产生的引力效果。