暗物质的主要竞争对手理论已经死了吗

当今天体物理学中最大的谜团之一是星系中的力似乎并不相加。星系的旋转速度比将牛顿万有引力定律应用于可见物质时预测的要快得多，尽管这些定律在太阳系的任何地方都适用。

为了防止星系飞散，需要一些额外的重力。这就是为什么首次提出一种称为暗物质的不可见物质的想法。但没有人见过这些东西。在非常成功的粒子物理标准模型中，没有任何粒子可能是暗物质——它一定是非常奇特的东西。

这导致了一种相反的观点，即银河系的差异是由牛顿定律的失效引起的。最成功的此类想法被称为Milgromian动力学或MOND，由以色列物理学家MordehaiMilgrom于1982年提出。但我们最近的研究表明，这一理论遇到了麻烦。

MOND的主要假设是，当引力变得非常弱时，比如在星系边缘，引力的表现就开始与牛顿的预期不同。MOND在没有任何暗物质的情况下预测星系旋转方面非常成功，而且它还有其他一些成功。但其中许多也可以用暗物质来解释，从而保留牛顿定律。

那么我们如何对MOND进行明确的测试呢?多年来我们一直在追求这一点。关键是MOND只改变低加速度时的重力行为，而不是在距物体特定距离时改变重力行为。在任何天体(行星、恒星或星系)的边缘，您都会感受到比靠近它时更低的加速度。但预测哪里重力应该更强的是加速度的大小，而不是距离。

这意味着，虽然MOND效应通常会在距离星系数千光年的地方发生，但如果我们观察一颗单独的恒星，这种效应将在十分之一光年处变得非常显着。这仅比天文单位(AU)——地球与太阳之间的距离——大几千倍。但较弱的MOND效应也应该可以在更小的尺度上检测到，例如在太阳系外层。

这让我们想起了卡西尼号任务，它在2004年绕土星运行，直到2017年最后一次猛烈撞击土星。土星以10个天文单位绕太阳运行。由于MOND的怪癖，来自银河系其他部分的引力应该会导致土星的轨道以微妙的方式偏离牛顿的期望。

这可以通过地球和卡西尼号之间的无线电脉冲计时来测试。由于卡西尼号绕土星运行，这有助于测量地球与土星的距离，使我们能够精确跟踪土星的轨道。但卡西尼号并没有发现MOND中预期的任何异常现象。牛顿对于土星来说仍然很有效。

我们中的一员哈里·德斯蒙德最近在《皇家天文学会月刊》上发表了一项研究，对这一结果进行了更深入的调查。如果我们调整根据星系亮度计算星系质量的方式，也许MOND会适合卡西尼号数据?这将影响MOND必须提供多少引力来适应星系旋转模型，从而影响我们对土星轨道的预期。

另一个不确定性是来自周围星系的引力，其影响较小。但研究表明，考虑到MOND必须如何适应星系旋转模型，它也无法适应卡西尼号无线电跟踪结果——无论我们如何调整计算。

考虑到天文学家最有可能考虑的标准假设并考虑到广泛的不确定性，MOND与卡西尼号结果匹配的机会与连续59次抛硬币正面朝上着陆的机会相同。这是科学发现的“5sigma”黄金标准的两倍多，相当于连续抛硬币大约21次。

MOND的更多坏消息

这并不是MOND唯一的坏消息。另一项测试是由宽双星提供的——两颗恒星围绕一个共享中心运行，相距数千个天文单位。MOND预测，这些恒星相互绕行的速度应该比牛顿定律预期的快20%。但我们中的一位，英德兰尼尔·巴尼克(IndranilBanik)最近领导了一项非常详细的研究，排除了这一预测。鉴于这些结果，MOND正确的机会与一枚公平硬币连续正面朝上190次的机会相同。

另一个团队的结果表明，MOND也无法解释遥远的外太阳系中的小天体。从那里进来的彗星的能量分布比MOND预测的要窄得多。这些天体的轨道通常仅稍微倾斜于所有行星绕轨道运行的平面。MOND会导致倾向变得更大。

在大约一光年以下的长度尺度上，牛顿引力比MOND更受青睐。但MOND在比星系更大的尺度上也失败了：它无法解释星系团内的运动。暗物质最初由FritzZwicky在20世纪30年代提出，用于解释后发星系团内星系的随机运动，后发星系团需要比可见质量更大的引力才能将其保持在一起。

MOND也无法提供足够的引力，至少在星系团的中心区域是这样。但在他们的郊区，MOND提供了太多的重力。相反，假设牛顿引力(暗物质是正常物质的五倍)似乎可以很好地拟合数据。

然而，宇宙学的标准暗物质模型并不完美。有些事情它很难解释，从宇宙的膨胀率到巨大的宇宙结构。所以我们可能还没有完美的模型。暗物质似乎会继续存在，但其本质可能与标准模型所暗示的不同。或者引力确实可能比我们想象的更强大——但仅限于非常大的尺度。

但最终，按照目前的表述，MOND不能再被视为暗物质的可行替代品。我们可能不喜欢它，但黑暗面仍然占据主导地位。

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