突破性的新研究揭示,星系的旋转曲线会无限远地保持平坦,这证实了作为暗物质替代物的修正引力理论的预测。这一发现对现有的宇宙学模型提出了挑战,并表明要么暗物质光环被大幅扩展,要么我们对引力理论的理解需要从根本上重新评估。

凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的科学家们在一项突破性发现中挑战了人们对宇宙学的传统认识,他们发现的新证据可能会重塑我们对宇宙的认识。

托比亚斯-米斯特尔(Tobias Mistele)是凯斯西储大学文理学院天文学系的一名博士后学者,他利用"引力透镜"开创了一种革命性的技术,以深入探索神秘的暗物质领域。他发现,星系旋转曲线在数百万光年内都保持平坦,看不到尽头。

科学家们以前认为,星系的旋转曲线一定会随着窥探太空的距离越远而下降。

打开网易新闻 查看精彩图片

弱透镜旋转曲线建模。资料来源:凯斯西储大学

传统上,星系内恒星的行为一直令天文学家感到困惑。根据牛顿万有引力理论,外围的恒星由于引力减弱,运行速度应该较慢。但天文学家并没有观测到这一现象,从而推断出暗物质的存在。但即使是暗物质光环也应该走到尽头,因此旋转曲线不应该无限期地保持平坦。

米斯特尔的分析打破了这一预期,提供了一个惊人的启示:我们所说的暗物质的影响远远超出了之前的估计,从银河系中心至少延伸了一百万光年。

打开网易新闻 查看精彩图片

托比亚斯-米斯特尔。资料来源:凯斯西储大学

这种长程效应可能表明,我们所理解的暗物质可能根本不存在。

"这一发现对现有模型提出了挑战,"他说,"这表明要么存在巨大延伸的暗物质晕,要么我们需要从根本上重新评估我们对引力理论的理解。"

文理学院天文学系教授兼主任斯泰西-麦高(Stacy McGaugh)说,米斯特尔的研究成果将发表在《天体物理学期刊通讯》上,它突破了传统的界限。

"这一发现影响深远,"麦高说。"它不仅可以重新定义我们对暗物质的理解,还召唤我们探索其他引力理论,挑战现代天体物理学的根本结构。"

米斯特尔在研究中使用的主要技术--引力透镜是爱因斯坦广义相对论所预言的一种现象。从本质上讲,当一个大质量天体(如星系团,甚至一颗大质量恒星)使来自遥远光源的光线路径发生弯曲时,就会产生引力透镜现象。发生这种光弯曲的原因是物体的质量扭曲了其周围的时空结构。星系对光线的这种弯曲在比预期大得多的尺度上持续存在。

打开网易新闻 查看精彩图片

斯泰西-麦高(Stacy McGaugh)。资料来源:凯斯西储大学

作为研究的一部分,Mistele 在图表上绘出了所谓的 Tully-Fisher 关系图,以突出星系的可见质量与其旋转速度之间的经验关系。

"我们知道这种关系的存在,"米斯特尔说。"但并不明显的是,走得越远,这种关系就越牢固。这种行为会持续多久?这是一个问题,因为它不可能永远持续下去。"

Mistele 说,他的发现强调了在科学界进一步探索和合作的必要性,以及对其他数据进行分析的可能性。

McGaugh 指出,国际粒子物理学界为探测和识别暗物质粒子做出了艰苦卓绝的努力,但迄今为止仍未取得成功:"要么暗物质光环比我们预期的要大得多,要么整个范式都是错误的。"

提前预测到这一行为的理论是莫蒂-米尔格罗姆(Moti Milgrom)在1983年作为暗物质的替代理论提出的修正引力理论MOND。因此,对这一结果的显而易见而又难免引起争议的解释是,暗物质是一个嵌合体;也许它的证据指向了某种新的引力理论,超越了爱因斯坦教给我们的理论。

编译来源:ScitechDaily

arXiv:2406.09685