星系的運動挑戰暗物質理論

星系中的恆星、氣體和塵埃的速度隨著與星系中心的距離而變化（即星系自轉曲線），這是支持暗物質存在的一項證據。星系中的大多數可見物質都集中在星系的中心，所以我們期望更多中心恆星的運動速度應該要遠遠超過外部的恆星。因此，星系自轉曲線應該隨距離增加而遞減。

然而，大多數星系的自轉曲線相當平坦，這意味著外部恆星的運動速度和內部恆星一樣快，所以需要有額外的引力場來匹配恆星速度。由此，這個觀測結果和其他證據使我們發展出了暗物質的理論。然而，對星系自轉曲線的新研究發現了一種很奇怪的相關性，而這可能意味著暗物質終究是錯誤的。

M33星系的自轉曲線

星系中的恆星軌道速度取決於這個星系質量的引力。星系被拉向星系中心的趨勢越強，其徑向加速度就越大，需要更快的速度來克服這種牽引力。這類似於我們太陽系中的行星。水星比較靠近太陽，由於太陽的引力作用，因此水星有著一個很大的徑向加速度。而遙遠的冥王星只有一個很小的徑向加速度。所以，水星繞太陽公轉的平均速度為48 km/s，地球為30 km/s，而冥王星不到5 km/s。根據暗物質模型，星系的質量並不是集中在其中心。大多數可見物質是集中於星系中心，但星系被暗物質暈包圍著。暗物質佔據了星系的大部分質量，而其中大部分都在暗物質暈中。

有很多其他證據能支持暗物質，但也有替代模型，例如修正牛頓引力理論（Modified Newtonian Dynamics，MoND）可以很好地符合星系自轉曲線。在這個模型中，恆星的徑向加速度略微偏離了牛頓物理學和廣義相對論的預計值。MoND和相關理論能夠準確地描述自轉曲線，但是他們無法描述其他效應，如大規模的星系成團和碰撞星系的質量分布。因此，暗物質在天體物理學中是佔主導的模型。然而，這項對恆星徑向加速度的新研究有可能又讓MoND煥發新生命。

研究人員分析了所觀測到的153個星系的自轉曲線，並計算了每個星系中不同距離的恆星徑向加速度。然後，他們把這些結果與星系中可見物質的分布（學術上叫重子質量的分布）所預測的重力加速度相比較。他們發現，兩者之間有著很強的相關性。當重力加速度較強時，徑向加速度亦是如此；而當一個較弱的時候，另一個亦是如此。有趣的是，這種關係在一系列星系中都成立。無論大部分可見物質是否集中在星系中心，這種關係仍然存在。不過，這也是一種純粹的經驗關係式，所以背後沒有強大的理論部分來支持。

天文學家認為星系被暗物質暈包圍著

那麼，為何會如此？研究人員提出了三種可能性。首先，這種關聯可能是由於星系形成的動力學。目前尚不清楚這是怎樣發生的，但在星系演化方面還有我們不完全理解的地方。第二種可能性是暗物質和星系內的可見物質的分布是相關的。這將需要一些新型的暗物質物理學，來使暗物質與普通物質一樣的方式聚集。第三種可能性也是最有趣的想法，這可能真是由於某種動力學的修正。

徑向加速度和質量分布之間的相關性很強，這表明可見物質是這種加速度的來源。這樣的關係是完全就是MoND模型的預測，而這與當前暗物質的模型相悖。如果這個結果具有重複性，那麼暗物質模型需要做出一些合理的解釋，才能繼續佔據主導理論的地位。但對MoND模型的挑戰也是剛剛開始。想要最終獲得成功，MoND模型需要解釋好諸如大規模的星系成團和碰撞星系的質量分布等一些效應，而在這方面目前它表現得非常失敗。

暗物質和MoND模型之間的角逐現在開始變得有趣些了。