宇宙形成星系需要暗物质吗？一个有争议的模型说“不”

一组宇宙学家声称，他们首次在计算机中创建了没有暗物质的虚拟星系。暗物质的批评者认为这是支持一种有争议的宇宙形成模型——MOND，即修正牛顿动力学——的胜利。但这一结果不太可能让大多数天文学家放弃几十年的暗物质理论。

星系的诞生

我们的宇宙诞生于大约138亿年前的宇宙大爆炸。从一开始，物质的分布就不均匀；宇宙的某些区域比其他区域更密集。

天文学家知道这些变化存在，因为他们可以在宇宙微波背景（CMB）辐射——宇宙大爆炸留下的残余辐射——中看到它们。引力将越来越多的暗物质——维系宇宙的不可见物质——以及普通物质拉入这些区域，直到形成了一个巨大的宇宙纤维网，如今它已遍布我们的宇宙。第一批恒星，以及最终的星系，就在这里形成。

这些基本要点是大多数天文学家接受的宇宙标准模型的一部分。它被称为“Lambda-Cold Dark Matter”（ΛCDM）模型。该理论依赖于暗能量来解释我们快速膨胀的宇宙，并利用暗物质来精确地在大尺度上产生宇宙运动，例如旋转的星系。没有暗物质，天文学家就无法解释最终导致星系形成的物质分布不均。

近几十年来，标准模型在解释天文学家通过望远镜看到的现象方面做得很好，但也存在一些例外。但回到地球上，传统方法面临一个重大挑战：尽管进行了几十年的搜寻，尽管进行了一些大规模的实验，研究人员仍未能找到暗物质的明确物理证据。

并非所有人都认为有什么东西可以被发现。一小部分但非常活跃的宇宙学家认为暗物质根本不存在。其中一些科学家正在通过计算机模拟探索替代的宇宙模型来支持他们的观点。

德国波恩大学的天体物理学家帕维尔·克鲁帕（Pavel Kroupa）是这些标准模型批评者之一。他认为，暗物质已经变成了一种教条。他列举了星系中一些与暗物质不符的现实观测特性。他还质疑现代宇宙学许多基本且被广泛接受的方面，从星系可以合并的观点到宇宙微波背景是否真的是宇宙大爆炸的证据。

在过去的二十年里，克鲁帕一直在推广MOND，一种替代的宇宙理论。支持该模型的科学家认为，宇宙中最令人费解的方面——那些导致天文学家发现暗物质和暗能量的——实际上可以通过对牛顿引力定律的微小修改来解释。

但为了说服更广泛的科学界，像克鲁帕这样的反主流者必须证明，MOND能够真正地重现我们的宇宙，同时也能解释那些首先让天文学家倾向于暗物质的奥秘。直到现在，使用MOND的计算机模拟都未能构建出与我们今天看到的真实星系相似的虚拟星系。

因此，其他对标准模型持怀疑态度的科学家认为这项新研究是一个潜在的里程碑。

阿姆斯特丹大学理论物理学家埃里克·维尔林德（Erik Verlinde）是一位著名的暗物质批评者，他没有参与这项研究。他说：“这项研究显然很重要，因为MOND经常因无法像基于暗物质的模型那样成功地描述星系形成而受到批评。”

但哈佛大学天文学家阿维·勒布（Avi Loeb）并不信服。他说，普通物质的物理学意味着它无法产生天文学家在宇宙微波背景中看到的那些大尺度变化。辐射会随着时间推移而平滑普通物质中的小尺度扰动。但由于暗物质不与辐射相互作用，它允许这些变化从种子发展成星系。

勒布说：“MOND的主要问题在于，它无法解释宇宙从初始条件（如宇宙微波背景（CMB）所示）到今天的演化。”他补充说：“如果除了CMB之外只有普通物质，而没有暗物质（根据定义，它不与光耦合），那么星系根本就不会形成。”

克鲁帕本人承认，他们的模拟在完全捕捉星系形成和演化方面仍需大量工作。目前，他们计算机中的MOND宇宙只能捕捉到星系形成的初始阶段。他的团队希望在此模型基础上进行改进，直到他们的星系能够成长和演化。

克鲁帕说：“一旦我们理解了这一点，并且理解了在MOND中星系群和星系团是如何形成的，我们将开始开发一个嵌入MOND的宇宙模型。”