多年來，天文學家和物理學家一直處於“衝突之中”。我們在宇宙深處觀察到的神秘暗物質是真實存在的，還是我們所看到的是對我們所知的引力定律的微妙偏差的結果？2016年，荷蘭物理學家Erik Verlinde提出了第二種理論：“衍生引力”。發表在《天文學與天體物理學》上的新研究將暗物質觀測的極限推到了星系的未知外部區域，並以此重新評估了幾個暗物質模型和其他引力理論。
對25.9萬個孤立星系的重力測量顯示，暗物質的貢獻和普通物質的貢獻之間有非常密切的關係，正如Verlinde的新興重力理論和一個稱為修改牛頓動力學(MOND)的替代模型所預測的那樣。然而，這些結果似乎也與假設暗物質是 “真實的東西 “的宇宙計算機模擬相一致。
這項新研究是由一個國際天文學家團隊進行的，由Margot Brouwer（荷蘭格羅寧根大學）領導。Kyle Oman和Edwin Valentijn也發揮了進一步的重要作用。2016年，Brouwer也對Verlinde的想法進行了首次測試；這次，Verlinde本人也加入了研究團隊。
物質還是引力？
到目前為止，暗物質從未被直接觀察到。天文學家在夜空中觀察到的是潛在存在的物質的後果：星光的彎曲，比預期更快的恆星移動，甚至是對整個星系運動的影響。毫無疑問，所有這些影響都是由引力引起的，但問題是：我們是否真正觀察到由不可見物質引起的額外引力，還是引力定律本身就是我們還沒有完全理解的東西？
為了回答這個問題，新研究使用了一種與2016年原始測試中使用的類似的方法。Brouwer和她的同事們利用了十年前開始的一系列持續的攝影測量：KiloDegree Survey（KiDS），使用ESO在智利的VLT勘測望遠鏡進行。在這些觀測中，人們測量來自遙遠的星系的星光在到達我們的望遠鏡的途中是如何被重力彎曲的。在2016年，對這種 “透鏡效應 “的測量只覆蓋了夜空中大約180平方度的區域，而在此期間，這已經擴展到了大約1000平方度–使研究人員能夠測量大約100萬個不同星系的重力分佈。
比較測試
Brouwer和她的同事們選擇了超過25.9萬個孤立的星系，他們能夠對這些星系進行所謂的 “徑向加速度關係”（RAR）測量。這個RAR將基於星系中可見物質的預期重力量與實際存在的重力量進行比較–換句話說：結果顯示除了正常物質引起的重力外，還有多少 “額外 “的重力。直到現在，額外引力的數量只能通過觀察恆星的運動來確定在星系的外部區域，以及通過測量冷氣體的旋轉速度來確定在一個大約五倍大的區域。利用引力的透鏡效應，研究人員現在能夠在小一百倍的引力強度下確定RAR，使他們能夠更深入地滲透到各個星系之外的區域。
這使得他們能夠極其精確地測量額外的引力–但是這種引力是不可見的暗物質的結果，還是我們需要提高對引力本身的理解？
作者 Kyle Oman表示，”真實的東西 “的假設至少有一部分似乎是有效的。“在我們的研究中，我們將測量結果與四種不同的理論模型進行了比較：兩種模型假設暗物質的存在，並構成了我們宇宙的計算機模擬的基礎，還有兩種模型修改了引力定律–Erik Verlinde的衍生引力模型和所謂的’修改牛頓動力學’（MOND）。”
“兩個暗物質模擬中的一個，MICE，做出的預測與我們的測量結果非常吻合。讓我們感到驚訝的是，另一個模擬，BAHAMAS，導致了非常不同的預測結果。這兩個模型的預測完全不同已經很令人驚訝了，因為這兩個模型是如此相似。但是，此外，我們預計，如果有差異出現，BAHAMAS將表現得最好。BAHAMAS是一個比MICE更詳細的模型，更接近我們目前對星系如何在有暗物質的宇宙中形成的理解。儘管如此，如果我們將MICE的預測與我們的測量結果進行比較，它的表現還是更好。在未來，基於我們的發現，我們希望進一步研究是什麼導致了模擬之間的差異。”
年輕和古老的星系
這樣看來，至少有一個暗物質模型似乎確實可行。然而，引力的替代模型也預測了測量的RAR。似乎是一種對峙–那麼我們如何找出哪個模型是正確的？領導該研究小組的Margot Brouwer繼續說道：“根據我們的測試，我們最初的結論是，兩個備選的重力模型和MICE與觀測結果相當匹配。然而，最激動人心的部分還在後面：因為我們可以獲得超過25.9萬個星系，我們可以將它們分為幾種類型–相對年輕的藍色螺旋星系與相對古老的紅色橢圓星系。”
這兩種類型的星系產生的方式非常不同：紅色橢圓星系是在不同的星系相互作用時形成的，例如當兩個藍色螺旋星繫緊密地經過對方時，甚至發生碰撞。因此，在暗物質的粒子理論中的期望是，不同類型的星系中的常規物質和暗物質的比例可以有所不同。另一方面，Verlinde理論和MOND等模型沒有利用暗物質粒子，因此預測兩類星系中預期和測量的重力之間有一個固定的比例–也就是說，與它們的類型無關。Brouwer表示：“我們發現這兩種類型的星系的RARs有很大的不同。這將是對暗物質作為一種粒子存在的強烈暗示。”
然而，有一個注意事項：氣體。許多星系可能被瀰漫的熱氣雲所包圍，這是很難觀察到的。如果年輕的藍色螺旋星系周圍幾乎沒有任何氣體，而老的紅色橢圓星系卻生活在大量的氣體雲中–其質量與恆星本身大致相同–那麼這就可以解釋這兩種類型的RAR的差異。
為了對測量的差異作出最終判斷，我們還需要測量彌散氣體的數量–而這正是使用KiDS望遠鏡所不能做到的。對一小群大約100個星系進行了其他測量，這些測量確實發現了橢圓星系周圍有更多的氣體，但目前還不清楚這些測量對目前研究中的259000個星系有多大的代表性。
如果事實證明額外的氣體不能解釋這兩類星系之間的差異，那麼測量結果在暗物質粒子方面比在其他引力模型方面更容易理解。但即使如此，事情也還沒有解決。雖然測量到的差異很難用MOND來解釋，但Erik Verlinde仍然認為他自己的模型有一條出路。
Verlinde：”我目前的模型只適用於靜態的、孤立的、球形的星系，所以不能期望它能區分不同類型的星系。我將這些結果視為一種挑戰和靈感，以發展我的理論的不對稱、動態版本，在這種情況下，具有不同形狀和歷史的星系可以有不同數量的’表觀暗物質’。”
因此，即使在新的測量結果出來后，暗物質和替代引力理論之間的爭議也還沒有解決。儘管如此，新的結果仍然是向前邁出的一大步：如果測量到的兩類星系之間的引力差異是正確的，那麼最終的模型，不管是哪一個，都必須足夠精確，以解釋這種差異。這尤其意味着許多現有的模型可以被拋棄，這就大大縮小了可能的解釋範圍。除此之外，新研究表明，對星系周圍的熱氣體進行系統的測量是必要的。