/暗物質 vs MOND

在過去的幾十年裡，當天文學家對星系進行觀測時，發現了非常令人困惑的現象。

牛頓和愛因斯坦的理論告訴我們，引力與距離的平方成反比，這就意味著那些距離星系中心更遠的天體所感受到的引力，比靠近星系中心的更弱，所以它們的繞行速度也會更慢。然而，真實的觀測卻告訴我們，天體的速度在超過特定的距離後就會開始趨於平穩，而不是像預期那樣下降！

星系自轉曲線。圖 / 原理

如果說星系邊緣的天體的運動速度真的如此之快，那麼它們早就應該逃離星系的掌控，導致星系分崩離析。但星系卻又如此穩定，這是為什麼？今天，大部分人都認為，在星系中，除了那些熟悉的恆星、行星、氣體雲之外，應該還存在大量看不見的物質，也就是暗物質。星系被巨大的「暗物質暈」所包圍，從而提供了額外的引力。

儘管大多數人都相信暗物質是真實存在的，但也有少數理論學家選擇了在不同的道路上探索。上世紀80年代，米爾格羅姆（Mordehai Milgrom）提出了「修改的牛頓動力學」（MOND理論）。MOND理論試圖通過修改引力物理學來解釋將星系束縛在一起的額外的引力。

MOND理論引入了一個基本的加速度標a₀，當加速度小於a₀時，引力場就會與牛頓的理論預期有很大的偏差。利用一些與銀河系性質相似的圓盤星系的自轉曲線，a₀的值被確定為1.2×10⁻¹⁰m/s²。幾十年來，這個值都非常穩定。

在牛頓和愛因斯坦的引力理論中，對於加速度可以小到什麼程度是沒有限制的。但米爾格羅姆指出，當速度小於a₀=1.2×10⁻¹⁰m/s²時，引力並不遵循牛頓動力學的預測。

/檢驗MOND

過去的研究表明，用MOND理論來預測星系的旋轉基本上和暗物質所能達到的效果一樣好。這就意味著，我們需要一種能夠明確區分兩者的測量方法。

「遠距雙星」系統一直被認為是可以用於驗證MOND理論的天體。這是因為在這樣的系統中，加速度足夠小。在一項發表於《皇家天文學會月報》的新研究中，研究人員利用蓋亞天文衛星（Gaia）DR3的資料，研究了遠距雙星。這項研究包含了距離是地日平均距離的2000到30000倍的遠距雙星。具有這些特徵的雙星會經歷一系列能使科學家可用於區分MOND理論和牛頓理論的加速度。

那麼，他們發現了什麼？研究結果非常明確地支持了牛頓的理論而非MOND理論，它表明牛頓動力學能更準確地描述遠距雙星的軌道行為。測量結果以16σ的置信度排除了MOND理論，遠遠大於被認為是確認標準的5σ。

值得一提的是，在今年7月的另一篇論文中，研究人員同樣是用到了蓋亞衛星探測到的遠距雙星資料，卻得出了完全相反的結論。在新篇論文中，研究人員分析了先前的研究，他們把資料分成兩類，一類是測量結果精確的遠距雙星，另一類是數值結果存在顯著不確定性的遠距雙星。他們發現，當在資料分析中包括測量不佳的遠距雙星時，分析結果顯示出對MOND理論的支持；但當只使用精確測量的遠距雙星時，資料強烈支持牛頓動力學。

/暗物質是真實存在的？

那麼這項研究結果是否能夠證明暗物質是真實存在的？答案是否定的。這項研究只是告訴我們，如果新的測量能夠進一步得到證實，它就證明了MOND理論是不正確的，但它並沒有排除暗物質的其他替代理論，其他的理論仍然有可能是正確的。

此外，雖然遠距雙星之間的距離非常大，但與星系的大小相比，這仍是非常小的。MOND理論在星系級別的尺度上仍然有可能適用，但不適用於大型恆星系統的尺度。

未來，如果這個結果得到證實，那麼對於我們尋找星系為何旋轉如此之快的答案來說，會是一個非常重要的進展。雖然它無法做到像那些決定性的發現那樣令人滿意，但對其他理論的決定性證偽是科學進步的方式。正如在故事《四簽名》中夏洛克·福爾摩斯所說的那樣：「當你排除了一切不可能的情況，剩下的無論多麼不可能，都一定是真相。」

參考來源 /

https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/4573/7342478?login=false

https://bigthink.com/hard-science/dark-matter-alternative-modified-newtonian-dynamics-ruled-out/?utm_source=flipboard&utm_content=BigThink%2Fmagazine%2FBig+Think

創作團隊 /

撰文：不二北斗

排版：雯雯

圖片來源 /

封面圖&首圖：ESA/Hubble

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編輯 / 懷塵