暗物质可能实际上并不存在物理学家建议可测试的替代品

近一个世纪以来，科学家们一直在寻找“ 暗物质 ” - 一种被认为构成宇宙中绝大多数物质的未知和无形物质。持续存在的原因是需要暗物质来解释星系似乎不遵守物理学基本定律的事实。然而，暗物质搜索仍未成功。

但还有其他方法可以理解为什么星系表现得如此奇怪。我们发表在宇宙学和天体物理学杂志上的这项新研究表明，通过调整巨大星系尺度上的引力定律，我们实际上可能并不需要暗物质。

瑞士天文学家Fritz Zwicky在20世纪30年代发现，星系团中的速度太高，无法解释我们能看到多少物质。几个天文学家群体描述了类似的现象，例如Vera Rubin和Kent Ford，他们研究了仙女座星系远端的恒星运动。

远离其中心的恒星的速度预计会减少，因为它们的重力较小。这是因为，根据牛顿第二运动定律，轨道物质上的引力可以等同于质量和加速度(与速度有关)的乘积。

然而，测量结果显示速度随距离没有降低。这导致科学家们相信必须有一些看不见的物质才能产生更强的引力和更快的恒星运动。在过去的几十年中，无数其他非常大尺度的引力系统探测器表明了同样的问题。

超越暗物质

暗物质究竟是什么的神秘面纱仍然是现代基础物理学的终极挑战。核心问题在于它是否确实是一种缺失的质量来源，例如一种新型物质，或者引力定律是否在巨大的长度尺度上完全不同。

虽然第一种选择看起来很诱人，但我们还没有发现任何暗物质。此外，虽然在太阳系内对重力定律进行了很好的测试，但必须小心地将其推断为至少比十亿倍大的尺度。

一种众所周知的消除对暗物质需求的尝试是改进牛顿动力学(MOND)，这表明当引力非常弱时，牛顿的引力定律变得不规则 - 就像银河系外部区域的情况一样。但是这个理论虽然在很多方面都很成功，却没有通过与包括暗物质在内的宇宙学标准模型相同的严格测试。

主要问题是MOND无法同时解释星系和星系团中缺失的质量问题。针对MOND的另一个非常强烈的论据是基于对碰撞星系团的观察，其中每个星系的恒星相互穿过，但是气体云团粘在一起并留在后面。一个着名的例子是子弹群，它由两个这样的碰撞群组成。观测结果表明暗物质跟随这些事件中的恒星，其总质量低于气体云。MOND无法解释为什么会这样。

太空气泡

我们开始以不同的方式调整引力定律。我们的方法假设称为Vainshtein筛选的现象正在起作用。这表明空间中每个足够致密，紧凑的物体在其周围产生一个看不见的球体，这决定了物理定律如何随着距离的增长而变化。这个领域是一个理论概念，帮助我们理解小规模和大规模之间的差异，而不是实际的物理膜。

根据我们的理论，在这个泡沫中，我们在太阳系中看到的普通牛顿引力定律适用于与中心大质量物体相互作用的物体。在泡沫之外，该理论认为中心物体的引力可以显着增强 - 即使没有更多的质量存在。

气泡大小将与中心物体的质量成比例。例如，如果在一个星系中，这个球体的半径为几千光年 - 观察到暗物质的典型距离 - 我们太阳的相应球体半径将达到50.000天文单位(一个这样的单位)是太阳和地球之间的距离)。然而，太阳系的边缘只有50个天文单位。换句话说，我们无法观察到远离太阳的物体，以测试太阳对它们的引力是否与地球上的引力不同。只有在很远的地方观察整个系统才能让我们这样做。

令人惊讶的效果是牛顿泡的大小以封闭的质量以特定的方式增长。这意味着重力定律分别在星系和星系团中以不同的长度尺度变化，因此它可以同时解释两个系统中的明显暗物质。MOND无法做到这一点。此外，它与子弹群的观察一致。这是因为在碰撞中留下的气体云不足以在它们周围产生球体 - 这意味着明显的暗物质仅在更紧凑的恒星周围才能显着。MOND不区分恒星和气体云。

令我们惊讶的是，我们的理论使我们能够解释星系中的恒星速度比爱因斯坦的广义相对论更好，后者允许暗物质存在。因此，实际上可能没有比我们想象的那么神秘的暗物质 - 甚至可能根本没有。

我们计划进一步研究这一有趣的现象。它也可能导致银河运动的高度可变性，为此我们收集了越来越多的证据。

根据广义相对论，任何巨大的身体都会扭曲它周围的空间和时间。结果，光线明显转向物体而不是直线行进 - 这种效应被称为引力透镜。对我们发现的一个非常有趣的测试是观察各个星系的精确引力光偏转，这虽然是一个困难的测量。我们的理论预测非常紧凑的星系会有更强的光线偏转，因此，令人兴奋的是，有朝一日它可能会被这种测量所证伪或证实。对话