暗物质的替代品通过临界测试

几十年来，一群反叛的理论家一直在与宇宙学的核心概念之一--一种看不见的、无形的物质形式形成宇宙的主要结构--开战。这种暗物质的重量似乎超过了我们组成的物质的5比1，它解释了一系列观测：星系和星系组的紧密凝聚力，来自遥远星系的光线在到达地面望远镜的过程中弯曲的方式，以及早期宇宙的斑驳结构，仅举几例。

想要成为革命者的人寻求另一种宇宙配方。它们取代了暗物质，代之以一种微妙修改的引力。但是，将他们的粗略想法转化为精确的数学语言的尝试总是与至少一个关键的观察结果相冲突。一些公式正确地解释了星系，一些公式正确地解释了光线的扭曲，但是没有一个公式能够穿透暗物质最坚固的证据：古代光线的精确地图，也就是众所周知的宇宙微波背景(Cmb)。日内瓦大学的宇宙学家露丝·杜雷尔(Ruth Durrer)说：“一个理论必须很好地与这些数据相一致。”“这就是瓶颈所在.”

现在，两位理论家表示，他们终于突破了这一障碍，推出了另一种引力理论。他们的工作于6月下旬发布在网上，尚未通过同行评审，使用了爱因斯坦引力理论的微调版本，重现了早期宇宙的标志性地图，这一壮举即使是一些叛逆者也担心是不可能的。凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的天文学家斯泰西·麦高(Stacy McGaugh)说，“15年来，我们只是死在水里。”她长期倡导修正重力理论，但没有参与这项研究。“这是一个巨大的飞跃。”

其他人也同意，该模型的初步结果看起来很有希望。Durrer说：“这有点巴洛克风格，但由于到目前为止没有其他东西起作用，我仍然对它似乎起作用感到印象深刻。”

大多数宇宙学家仍然更喜欢暗物质，因为它是两种范式中更简单的一种，但他们同意，如果新理论真的能与额外的宇宙学观测相匹配，那么它可能会很耐人寻味。“这将是一个很大的障碍，”芝加哥大学的天体物理学家丹·胡珀(Dan Hooper)说。“那会很有趣的。”

另一种引力理论(统称为修正牛顿动力学或MOND)面临的挑战，在新模型出现后第二天出版的另一份预印本中详细阐述了这一点。其中最主要的是重塑暗物质在将宇宙凝聚在一起方面所起的主导作用，正如一个被称为兰姆达冷暗物质(LCDM)的著名宇宙学模型所描述的那样。

简而言之，LCDM说，如果没有暗物质，我们就不会在这里。初生的宇宙是如此平滑，以至于仅靠普通物质的引力不足以将粒子聚集到星系、恒星和行星中。进入暗物质粒子。LCDM利用它们的集体体积将正常物质雕刻成天文学家研究的现代宇宙结构。

LCDM之所以成为宇宙学的标准模型，部分原因是它与CMB非常精确地一致。这张早期宇宙的地图显示了几乎难以察觉的粗细斑点在宇宙中荡漾。最近，研究人员已经能够更精确地测量CMB的光的方向或偏振。任何成功的宇宙学都需要通过复制这三个观测来建立一个全面的宇宙历史：CMB的温度，CMB的偏振，以及星系和星系团的当前分布。

在第二版预印本中，NASA喷气推进实验室的天体物理学家克里斯·帕尔多(Kris Pardo)和熨斗研究所(Flatiron Institute)计算天体物理中心主任大卫·斯珀格尔(David Spergel)量化了任何替代引力理论要与LCDM的一个特定功能竞争有多困难。(“广达杂志”是一份编辑独立的出版物，由西蒙斯基金会(Simons Foundation)赞助，该基金会也为熨斗研究所(Flatiron Institute)提供资金。)。当更密集的暗物质带将物质拖向它们，最终形成星系和恒星时，这将在很大程度上-但不是完全-冲刷掉最初穿过物质的涟漪。通过将CMB的偏振与今天的物质模式进行比较，宇宙学家可以清楚地测量到这样的影响：比CMB中看到的波动小100倍的涟漪残留物今天仍然存在。

斯珀格尔表示，在没有LCDM名义成分的情况下，重新创造这些和其他特征需要最好的理论穿针引线。“我们并没有反驳所有这些(修正引力理论)的存在，”他说。“但任何另类理论都必须跳过这些圈套。”

中欧宇宙学和基础物理研究所的两位理论家Tom Złosnik和Constantinos Skordis相信他们已经做到了这一点--尽管在某种程度上可能会让莫德的怀疑论者和粉丝都感到惊讶。他们成功地构建了一种引力理论，其中包含一种成分，其作用与宇宙尺度上一种看不见的物质形式完全相同，模糊了暗物质和MOND范例之间的界限。

他们的理论被称为RelMOND，为广义相对论方程增加了一个无所不在的场，在不同的领域表现不同。在最宏大的尺度上，宇宙在膨胀时会明显伸展，磁场的作用就像看不见的物质。在这种被Złosnik称为“暗尘埃”的模式下，磁场可以像暗物质一样塑造可见的宇宙。该模型忠实地再现了cmb的温度-这是两人在预印本上发表的结果-Złosnik表示，它也可以匹配偏振光谱和物质分布，尽管他们还没有发表这些曲线图。

Złosnik说：“[Relmod]不可能比LCDM做得更差，因为它非常接近于宇宙整体的理论。”

但是，如果我们放大一个星系，那里的空间结构相当静止，磁场的作用方式与它的MOND根是一样的：它将自己与标准引力场缠绕在一起，使其增强到足以在没有额外物质的情况下将一个星系保持在一起。(研究人员还不确定这个场对更大的星系团是如何作用的，这是一个常年的MOND痛点，他们认为这个中间尺度可能是寻找观测线索的好地方，这些线索可能会让这一理论有别于以往的理论。)。

尽管这两个人在数学上取得了成就，但暗物质仍然是更简单的理论。构建新的磁场需要四个新的移动数学部分，而LCDM只需要一个就可以处理暗物质。胡珀将这种情况比作侦探在辩论谋杀现场的人是凶手，还是他们是被中央情报局陷害的。即使现有的证据符合这两种理论，其中一种也不需要太多的飞跃。

尽管如此，他并不嫉妒其他研究他认为是宇宙学阴谋论的人。“我很高兴聪明人都在考虑MOND，”他说。

Złosnik希望暗物质能很快被发现，但与此同时，他认为他在mond上的工作更多的是将广义相对论延伸到极限，而不是对宇宙学体制的全面攻击。就目前而言，他只是很高兴能帮助证明重力的数学可能比许多人想象的更能适应奇怪的现象。

Złosnik说：“仅仅假设这是不可能的，就有错失一些有用的东西的危险。”“这可能会为一些更成功的事情指明方向。”