新的计算机模拟显示,没有暗物质也可以形成星系,由此克服了迈向一个无暗物质宇宙的重要障碍。
在不引入暗物质的条件下,模拟出了星系形成,这对于修改牛顿动力学来说是一个胜利。图中蓝色的点表示年轻恒星的形成
一个宇宙学家团队宣布,首次在没有任何暗物质参与的情况下,计算机模拟出了星系。暗物质的反对者视其为修改牛顿动力学的一个胜利,但这似乎并不能说服大多数天文学家放弃已有几十年历史的暗物质理论。
138亿年前,宇宙在大爆炸中诞生。从那以后,物质就不是均匀分布的,宇宙中一些地方的密度会高于其他地方。从大爆炸的余辉宇宙微波背景辐射中,可以观测到这些密度涨落。引力会使得不可见的暗物质和普通物质聚集,形成丝线状的结构,编织出一张涵盖整个宇宙的巨网。第一代恒星和星系就在此形成。
这是广为认可的宇宙学标准模型的基本要点,该模型被称为含宇宙学常数的冷暗物质模型。它需要引入暗能量来解释宇宙快速膨胀,还需要引入暗物质来描述大尺度的运动,例如星系的自转。没有暗物质就无法解释最终导致星系形成的物质分布不均匀性。
近几十年来,标准模型很好地解释了观测到的宇宙,但也有少数例外。在地球上,它面临着一项巨大挑战:尽管已进行了长达几十年的搜寻,也有了一些大型的实验装置,但至今仍未找到暗物质存在的确凿物理证据。哪怕在星系中存在着一些无法解释的现象,暗物质也已成为了天文学界的一种“信念”。同样地,现代宇宙学中的许多基本观点也鲜有被质疑。
并不是所有人都同意要引入暗物质。少数宇宙学家认为,暗物质根本不存在。他们使用计算机模拟,来寻找支持这一想法的论据。
宇宙中星系(橙色)与气体(蓝色)的模拟结果。自大爆炸以来,很少能有气体不受到恒星爆炸产物的污染
作为另一种宇宙学模型,在过去的20年里,有天文学家一直在致力于推动修改牛顿动力学。支持该理论的科学家认为,宇宙中需要引入暗物质与暗能量才能解决的难题可以通过对牛顿引力定律做微小的修改来解释。
但是为了说服科学界,修改牛顿动力学的支持者们不但需要解释这些问题,还要在该理论下重新推演出宇宙的演化。之前,基于修改牛顿动力学的计算机模拟一直无法重现出今天所见的星系。
因此,怀疑宇宙学标准模型的科学家们将这一新的研究结果视为一个潜在的里程碑,但很显然并不是每个人都为之信服。
普通物质的物理性质决定了它们无法产生宇宙微波背景辐射中的大尺度差异。随着时间的推移,辐射会抹掉普通物质中的小尺度扰动。但由于暗物质不会与辐射发生相互作用,它会使这些扰动生长到星系的尺度。
修改牛顿动力学的主要问题在于,它不能解释从宇宙微波背景中的初始条件到今天的宇宙演化。如果只存在普通物质和微波背景辐射,星系根本无法形成。
修改牛顿动力学的支持者也承认,要在计算机模拟中完整再现星系的形成和演化过程仍有大量的工作要做。目前的计算机模拟只能得到星系形成的最初状态,下一步的工作是在此基础上星系可以生长与演化。