【博科園-科學(xué)科普】如果你看一下宇宙中所有的星系，測(cè)量能探測(cè)到的所有物質(zhì)，然后標(biāo)出這些星系是如何運(yùn)動(dòng)的，會(huì)發(fā)現(xiàn)很困惑。而在太陽系中行星繞著太陽運(yùn)行的速度越快，離中心越近，正如萬有引力定律所預(yù)測(cè)的那樣：銀河系中心周圍的恒星不全這樣。盡管質(zhì)量集中在中央凸起和類似平面的圓盤上，星系外區(qū)域的恒星卻以與內(nèi)部區(qū)域相同的速度繞著它旋轉(zhuǎn)，這與預(yù)測(cè)相反。
圖注：宇宙中大規(guī)模結(jié)構(gòu)的演變，從早期的統(tǒng)一狀態(tài)到我們今天所知的聚集宇宙。如果改變了宇宙所擁有的東西，暗物質(zhì)的類型和豐度就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)完全不同的宇宙。圖片信息及版權(quán)：Angulo et al. 2008, via Durham University
很明顯，缺少一些東西，有兩種解決方案：要么有一些看不見的質(zhì)量彌補(bǔ)赤字，要么需要修改引力定律，就像我們從牛頓跳到愛因斯坦那樣。雖然這兩種可能性似乎都合理，但看不見的質(zhì)量解釋，即所謂的暗物質(zhì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了最好的選擇，這是為什么？
圖注：理論上單個(gè)星系可以通過暗物質(zhì)或重力的改變來解釋，但它們并不是我們對(duì)宇宙構(gòu)成的最佳證據(jù)，也不是今天的樣子。圖片信息及版權(quán)：Stefania.deluca of Wikimedia Commons
首先，答案與單個(gè)星系無關(guān)。星系是已知宇宙中最臟亂的物質(zhì)集合之一，當(dāng)測(cè)量宇宙本身的本質(zhì)時(shí)，則需要最干凈的環(huán)境。有一個(gè)專門研究這個(gè)領(lǐng)域的研究領(lǐng)域——被稱為物理宇宙學(xué)。當(dāng)宇宙誕生時(shí)非常接近均勻：各處密度幾乎完全相同。據(jù)估計(jì)，宇宙開始時(shí)密度最大的區(qū)域密度比大爆炸開始時(shí)密度最小的區(qū)域要低0.01%。引力的作用非常簡單，甚至在宇宙尺度上處理小偏離的平均密度時(shí)，這就是所謂的線性系統(tǒng)，并為引力和暗物質(zhì)提供了一個(gè)偉大的宇宙測(cè)量。
圖注：在z = 0處的Illustris體積的大規(guī)模模擬，15Mpc / h深集中在最大的群集上，顯示暗物質(zhì)密度（左）過渡到氣體密度（右），宇宙大規(guī)模結(jié)構(gòu)不能在沒有暗物質(zhì)的情況下解釋。圖片信息及版權(quán)：Illustris Collaboration / Illustris Simulation
當(dāng)處理大量的平均偏差時(shí)會(huì)進(jìn)入所謂的非線性狀態(tài)，這就使得這些測(cè)試很難得出結(jié)論。今天像銀河系這樣的星系可能比平均宇宙密度高一百萬倍，這使得它穩(wěn)固地處于非線性狀態(tài)。另一方面，如果在非常大尺度上觀察宇宙，或者在宇宙很早期的時(shí)候，引力效應(yīng)都會(huì)更線性，這使得它成為理想的實(shí)驗(yàn)室。如果想知道改變引力或增加暗物質(zhì)的額外成分是一種方法，需要看效果最清楚的地方，這就是最容易預(yù)測(cè)引力效應(yīng)的地方——線性系統(tǒng)中，這是探索那個(gè)時(shí)代宇宙的最佳方式。
Top1、宇宙微波背景中的波動(dòng)
圖注：宇宙微波背景中的波動(dòng)首先是由COBE在上世紀(jì)90年代準(zhǔn)確地測(cè)量出來的，然后在21世紀(jì)10年代的WMAP和2010年的普朗克(上圖)更準(zhǔn)確地測(cè)量了。這幅圖像編碼了大量關(guān)于早期宇宙的信息，包括它的組成、年齡和歷史。圖片信息及版權(quán)：ESA and the Planck Collaboration
這是我們對(duì)宇宙最早的真實(shí)寫照，以及大爆炸發(fā)生38萬年后能量密度的波動(dòng)。藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng)的是密度過大，物質(zhì)集中的地方開始了不可避免的引力增長，沿著它們的路徑形成恒星、星系和星系團(tuán)。紅色區(qū)域是密度較低的區(qū)域，物質(zhì)在其周圍密集的區(qū)域丟失。通過觀察這些溫度波動(dòng)和它們之間的聯(lián)系——也就是說在特定的尺度上平均波動(dòng)幅度與平均溫度相差甚遠(yuǎn)，可以從中了解到宇宙構(gòu)成的知識(shí)。
圖注：由宇宙微波背景中的數(shù)據(jù)得出的這些聲波峰的相對(duì)高度和位置與由68％暗能量，27％暗物質(zhì)和5％正常物質(zhì)組成的宇宙完全一致，偏差受到嚴(yán)格限制。圖片信息及版權(quán)：Planck 2015 results. XX. Constraints on inflation - Planck Collaboration (Ade, P.A.R. et al.) arXiv:1502.02114
特別是上述七個(gè)峰值的位置和高度（尤其是相對(duì)高度）與一個(gè)特定的契合度驚人地一致：一個(gè)是68%暗能量的宇宙，27%是暗物質(zhì)，5%是正常物質(zhì)。如果不包括暗物質(zhì)，那么奇數(shù)峰和偶數(shù)峰的相對(duì)大小就無法匹配。通過修改引力理論所最好的結(jié)果是：要么得到前兩個(gè)峰值（而不是第三個(gè)或更高的峰值），要么通過增加一些暗物質(zhì)來獲得峰值的正確光譜，這就破壞了所有的目標(biāo)。愛因斯坦的引力理論沒有任何已知的改變，即使事后再現(xiàn)也可以再現(xiàn)這些預(yù)測(cè)，而不會(huì)增加暗物質(zhì)。
圖注：由重子聲學(xué)振蕩引起的聚類模式的一個(gè)例子，即在某一距離上發(fā)現(xiàn)一個(gè)星系與其他星系的距離的可能性是受暗物質(zhì)和正常物質(zhì)之間的關(guān)系支配的。隨著宇宙的膨脹，這一特征距離也會(huì)擴(kuò)大，從而使我們能夠測(cè)量哈勃常數(shù)。圖片版權(quán)：Zosia Rostomian
Top2、宇宙中的大規(guī)模結(jié)構(gòu)
如果有一個(gè)星系，有多大可能在距離一定距離內(nèi)找到另一個(gè)星系？如果在一定的體積范圍內(nèi)觀察宇宙，你期望在那里看到與“平均”數(shù)量的星系有什么不同？這些問題是理解大規(guī)模結(jié)構(gòu)的核心，答案非常地依賴于萬有引力定律和宇宙中存在的東西。一個(gè)100%的物質(zhì)都是正常物質(zhì)的宇宙中，在特定的大尺度上將會(huì)有大量的結(jié)構(gòu)形成，而如果宇宙是由暗物質(zhì)主導(dǎo)的，那么就只能在光滑的背景上疊加小的抑制。不需要任何模擬或非線性效應(yīng)來探測(cè)這個(gè)，這一切都可以動(dòng)手來計(jì)算。
圖注：觀測(cè)到的星系（紅點(diǎn)）的數(shù)據(jù)點(diǎn)和暗物質(zhì)（黑線）的宇宙學(xué)預(yù)測(cè)都非常好。藍(lán)色的線與引力無關(guān)，不能在沒有暗物質(zhì)的情況下重現(xiàn)這個(gè)觀測(cè)。圖片信息及版權(quán)：S. Dodelson, from http://arxiv.org/abs/1112.1320
當(dāng)關(guān)注這些最大尺度的宇宙，并與這些不同情景的預(yù)測(cè)進(jìn)行比較時(shí)，結(jié)果是無可爭(zhēng)議的。這些紅點(diǎn)（如圖所示）是來自宇宙的觀察數(shù)據(jù)。黑線是標(biāo)準(zhǔn)ΛCDM宇宙學(xué)的預(yù)言，有正常物質(zhì)，暗物質(zhì)（六倍于正常物質(zhì)的量），暗能量和廣義相對(duì)論的規(guī)律。注意其中的小擺動(dòng)以及如何非常好的預(yù)測(cè)與數(shù)據(jù)相匹配程度。藍(lán)線是正常物質(zhì)和修改過的重力（虛線）情景下正常物質(zhì)的預(yù)測(cè)，沒有暗物質(zhì)。再一次也沒有對(duì)已知的引力理論進(jìn)行修改，即使在事后也能重現(xiàn)這些結(jié)果，也不包括暗物質(zhì)。
Top3、早期宇宙中形成輕元素的相對(duì)豐度
圖注：質(zhì)子和中子在早期宇宙中形成最輕元素和同位素的途徑：氘，氦-3和氦-4。核子與光子的比例決定了今天將在宇宙中的元素有多少。這些測(cè)量使我們能夠非常精確地知道整個(gè)宇宙中正常物質(zhì)的密度。圖片信息及版權(quán)：E. Siegel / Beyond The Galaxy
這并不是一個(gè)與暗物質(zhì)相關(guān)的問題，也不是非常依賴引力。早期宇宙的物理學(xué)告訴我們?cè)谟钪娣浅＞鶆虻那闆r下，當(dāng)原子核在高能量條件下時(shí)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氫，氘，氦-3，氦-4和鋰，應(yīng)該從今天看到的原始?xì)怏w的大爆炸中遺留下來。所有這些結(jié)果都依賴于一個(gè)參數(shù)：宇宙中光子與重子（質(zhì)子和中子組合）的比率。測(cè)量了宇宙中的光子數(shù)量，這要?dú)w功于WMAP和Planck衛(wèi)星，并且還測(cè)量了這些元素的豐度。
圖注：由大爆炸核合成所預(yù)測(cè)的氦-4、氘、氦-3和鋰-7的預(yù)測(cè)豐度（如在紅圈中觀測(cè)顯示的）。圖片信息及版權(quán)：NASA / WMAP Science Team
把它們放在一起可以告訴我們宇宙中正常物質(zhì)的總量：它是臨界密度的4.9％，換句話說是所知道宇宙中正常物質(zhì)的總量。它的數(shù)量與宇宙微波背景數(shù)據(jù)和大規(guī)模結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)有著驚人的一致性，但它只有約15％的物質(zhì)總量存在。再次沒有已知的引力理論的修改可以給這些大規(guī)模的預(yù)測(cè)，也給這個(gè)正常物質(zhì)的低豐度。
Top4、宇宙中大星系團(tuán)星光的引力彎曲
圖注：在光學(xué)系統(tǒng)中通過引力透鏡可以發(fā)現(xiàn)宇宙中曾經(jīng)見過的最深處最暗的星系，這是哈勃的前沿領(lǐng)域之一。圖片信息及版權(quán)：NASA / STScI
當(dāng)觀察宇宙中最大的質(zhì)量物質(zhì)集合時(shí)，那些最接近于仍處于線性結(jié)構(gòu)形成狀態(tài)的物質(zhì)，它們發(fā)出的背景光被扭曲了。這是由于星光的引力彎曲在相對(duì)論中被稱為引力透鏡。當(dāng)使用這些觀察來確定宇宙中存在的總質(zhì)量是多少時(shí)，得到的數(shù)字與一直得到的數(shù)量相同：大約30％的宇宙總能量必須存在于所有形式的物質(zhì)中，并加在一起重現(xiàn)這些結(jié)果。正常情況下只有4.9％存在，這意味著必須存在某種暗物質(zhì)。
圖注：星系團(tuán)Abell S1063中的引力透鏡，展現(xiàn)了物質(zhì)和能量對(duì)星光的彎曲。圖片信息及版權(quán)：NASA, ESA, and J. Lotz (STScI)
當(dāng)看到整套數(shù)據(jù)，而不僅僅是一些關(guān)于混亂，復(fù)雜，非線性狀態(tài)的小細(xì)節(jié)時(shí)，沒有辦法在不添加暗物質(zhì)的情況下獲得今天的宇宙。使用Occam剃刀（錯(cuò)誤地）支持MOND或MOdified牛頓動(dòng)力學(xué)的人需要考慮修改牛頓定律不會(huì)解決這些問題。如果使用牛頓，那么就錯(cuò)過了愛因斯坦相對(duì)論的成功之處，這些成就在這里不勝枚舉。有夏皮羅時(shí)間延遲，有引力時(shí)間膨脹和引力紅移，有大爆炸的框架和不斷膨脹的宇宙的概念，有Lens-Thirring效應(yīng)，直接檢測(cè)引力波其測(cè)量速度等于光速。
圖注：在最大的尺度上星系聚集在一起的方式（藍(lán)色和紫色）不能通過模擬來匹配（紅色）除非包含了暗物質(zhì)。圖片信息及版權(quán)：Gerard Lemson & the Virgo Consortium, with data from SDSS, 2dFGRS and the Millennium Simulation
而對(duì)于所有這些觀察結(jié)果，引力并沒有單一的修改可以重現(xiàn)這些成功。在公共領(lǐng)域里“有一些聲音的人”擁護(hù)MOND（或其他修改過的引力變形）作為暗物質(zhì)的合理替代物，但現(xiàn)在根本不是這樣的。宇宙學(xué)界對(duì)暗物質(zhì)的需求并不是教條主義，我們“相信”它是因?yàn)樗羞@些觀察都要求它。然而盡管所有努力都在改變相對(duì)論，但沒有任何已知的修改可以解釋這四個(gè)點(diǎn)中的兩個(gè)，更不用說全部四個(gè)，但是暗物質(zhì)可以，而且確實(shí)如此。
僅僅因?yàn)榘滴镔|(zhì)對(duì)某些人來說似乎是一個(gè)欺騙因素，與修改愛因斯坦引力理論的想法相比，并不能給后者帶來額外的重量。正如Umberto Eco在?？碌溺姅[中所寫的那樣：正如那個(gè)人所說的那樣，對(duì)于每一個(gè)復(fù)雜的問題都有一個(gè)簡單的解決方案，這是錯(cuò)誤的。如果有人試圖向你推銷修改后的引力理論，請(qǐng)問他們關(guān)于宇宙微波背景。問他們關(guān)于大型結(jié)構(gòu)，問他們關(guān)于Big Bang Nucleosynthesis和其他全部宇宙學(xué)觀察結(jié)果。直到他們有一個(gè)和暗物質(zhì)一樣好的答案，否則不要讓自己滿意。
圖注：四個(gè)相互碰撞的星系團(tuán)，顯示x射線（粉紅色）和萬有引力（藍(lán)色）之間的分離暗示暗物質(zhì)。在大尺度上冷暗物質(zhì)是必要的，沒有替代物或方法。圖片信息及版權(quán)：X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A. Mahdavi et al. (top left); X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Optical: NASA/ STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (top right); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Italy)/CFHTLS (bottom left); X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University) (bottom right)
修改過的引力無法成功預(yù)測(cè)宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)，這是宇宙充滿暗物質(zhì)的方式。直到可以的時(shí)候，作為一個(gè)嚴(yán)肅的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，不值得付出任何代價(jià)。在試圖破譯宇宙時(shí)，不能忽視物理宇宙學(xué)，而大規(guī)模結(jié)構(gòu)，微波背景，光元素和星光彎曲的預(yù)測(cè)是物理宇宙學(xué)中最基本和最重要的預(yù)測(cè)。MOND對(duì)暗物質(zhì)有很大的勝利：直到今天它解釋了星系的旋轉(zhuǎn)曲線比暗物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)曲線更好。但它還不是一個(gè)物理理論，它與我們掌握的全套觀察結(jié)果不一致。在那一天到來之前，暗物質(zhì)將理所當(dāng)然地成為構(gòu)成我們宇宙質(zhì)量的主要理論。
知識(shí)：科學(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普
作者：Ethan Siegel（天體物理學(xué)家）
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