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牛顿力学的局限,有的科学家为了解释这个现象,有些科学家提出了

暗物质

1970年,当天文学家鲁宾和福特在对仙女座大星系进行观测的时候,发现了一个奇怪的现象。在对远离星系核的恒星公转速度进行计算的时候,发现最终数据和利用恒星和星系核心距离计算的结果并不相同。

我们知道,星系的核心处拥有着最为密集的恒星,因此质量也比较大,这里的公转速度应该会比较快。相比之下,远处的恒星密度较低,所以越远离星系核心的位置上,恒星公转速度也应该越慢。

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但是,两个人发现,在远离核心的区域,恒星的公转速度竟然保持着恒定的数据。即使两颗恒星与核心的距离有很大的差别,它们的速度似乎也并没有受到什么影响。奇怪了,难道星系外围还有我们没有观测到的质量存在?

他们很快就想起了1922年时天文学家卡普坦提出的理论:宇宙天体周围可能隐藏着我们还看不见的物质,能够引力作用。尽管卡普坦的理论当时已经提出了近50年,但这次对于仙女座大星系的观测成为了这个理论最有力的证据。从此,科学家们知道了宇宙中隐藏着一种人类还无法探测的物质—暗物质。

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图片说明:理论上恒星与星系之间的距离和速度之间的关系A和实际观测数据B的对比,差异非常明显

随着我们对河外星系的观测越来越多,暗物质存在的证据也越来越确凿。根据现在的理论模型,暗物质占据了宇宙总质量的85%,是可见物质的近6倍。

即便如此,由于它与可见物质几乎没有任何引力之外的相互作用,人类终究还是没有实际观测到暗物质的存在。因此,直到今天,还有人在质疑暗物质理论,并且提出新的想法,甚至有一些暗物质的坚定支持者都会忍不住思考有没有其他可能的答案。

力学的局限

除了暗物质之外,也有科学家利用其他理论来解释星系外围恒星运动规律的现象,其中比较著名的就是修正的动力学。

牛顿力学的局限,有的科学家为了解释这个现象,有些科学家提出了

我们知道,自从力学建立之后,人类对于物体的运动模式就有了科学的理解。它不仅可以解释我们生活中任何物体的运动规律,甚至连宇宙中的天体都要遵从它的法则。因此,直到今天,力学仍然被奉为圭臬,至少在除了天体运动之外的领域是这样的。

直到1905年,伟大的提出了相对论。他告诉我们:力学在地球上的确适用,但是在宇宙中,尤其是在大质量天体上或者是高速运动的条件下,力学就不适用了。通过他的相对论,告诉我们在一些极端条件下,物体该遵从怎样的运行规律。从某种角度上说,相对论就可以看作是对力学的一种修正。

不论是利用经典力学还是相对论,星系外围恒星的运动规律都得不到有效的解释。因此,有些科学家开始思考:是不是力学仍有需要修正的地方呢?

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修正的动力学

为了解释星系外围恒星的运动规律,有些科学家提出了修正的动力学(MoND)他们认为:恒星运行规律和力学不匹配,我们未必就要把锅全都甩给恒星或者星系,难道力学就牢不可破的吗?一百多年前,就指出了力学的局限,是否力学还有都没有发现的问题存在呢?

这也不是不可能的,我们也曾经介绍过,有的科学家为了解释这个现象,甚至还提出了对广义相对论的修正。在完全确定问题的答案之前,我们不可避免地要敢于尝试并去证明各种可能的理论,最终才能找到真正的答案。

那么,科学家们这一次要如何修正动力学呢?

周围星系的影响

以往科学家们利用暗物质模型来解释这个现象的时候,都认为暗物质占据了星系的许多质量,并且弥散在整个星系中,而不是集中在星系核心处。

而本次研究中所提出的MoND模型则假设来自于其他星系的引力作用会对星系外围的恒星产生干扰,改变其惯性质量,这就导致了它们比理论上的公转速度要快得多。

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相信大家也看得出来,在这个理论中有一个重要的前提,那就是周围星系的引力对这个星系旋转曲线的干扰。为此,提出这个理论的研究团队利用斯皮策光度测量及精确旋转曲线数据库中的数据,对175个星系的旋转曲线进行了分析,将这些旋转曲线和星系周围其他星系的分布情况进行了对比。

如果暗物质模型是正确的,那么其他星系的存在与否应该都不会对这个星系的旋转曲线产生影响;如果他们的MoND模型是正确的,那么周围星系的分布情况和旋转曲线之间应该有非常明显的相关性。

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令人惊愕的结果出现了:他们真的发现了二者之间有一些相关性。尤其是周围星系影响最强的样本中,这种影响的置信度达到了8-11西格玛。而通常来说,当置信度达到5西格玛的时候,实验结果就算是得到确认了。因此,我们非常有理由相信二者之间是有直接关系的。而且,在周围星系较弱的情况下,也的确没有看到星系明显的曲线效应。

令人震惊的结果

看到这个结果的时候,研究团队也震惊了。他们介绍说,在一开始进行这个实验的时候,他们甚至是抱着这个猜想的心态来研究的,没想到结果反而印证了这个猜想。

那么,这是否证明暗物质理论是错误的呢?

牛顿力学的局限,有的科学家为了解释这个现象,有些科学家提出了

图片说明:旋转曲线应该以0为中心,但实际情况并非如此

并不是,本次研究也并不是全盘否认了暗物质的理论,或许二者的共同作用造成了我们看到的外围恒星运行规律。

另外,暗物质理论也不仅仅能够解释这一个现象,它还是现在的星系形成模型中的重要环节。如果想要彻底暗物质模型,那么与它相关的所有理论恐怕都要崩塌。倒不是说科学家为了防止这个情况而不肯承认,但是我们必须要有足够的证据来所有这些理论才能否认暗物质。

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本文相关词条概念解析:

星系

《论地球起源与演化》对星系的定义是:在宇宙中,由两颗或两颗以上星球所形成的绕转运动组合体。星系的英语词galaxy源自于希腊语的γαλαξίας(galaxias)。广义上星系指无数的恒星系(当然包括恒星的自体)、尘埃(如星云)组成的运行系统。指参考我们的银河系,是一个包含恒星、星团、星云、气体的星际物质、宇宙尘和暗物质,并且受到重力束缚的大质量系统,通常距离都在几百万光年以上。星系平均有数百亿颗恒星,是构成宇宙的基本单位。典型的星系,从只有数千万(107)颗恒星的矮星系到上兆(1012)颗恒星的椭圆星系都有,全都环绕着质量中心运转。除了单独的恒星和稀薄的星际物质之外,大部分的星系都有数量庞大的多星系统、星团以及各种不同的星云。

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