走进科学
新理论：无质量引力或可解释暗物质之谜
研究表明，引力可以在无质量情况下存在，或可减少对假设暗物质的需求。
暗物质是一种假设的物质形态，其存在是为了解释无法用广义相对论解释的引力效应，除非宇宙中存在比可见物质更多的物质。自1932年荷兰天文学家Jan Oort首次提出用来解释所谓的“失踪质量”以来，暗物质几乎一直像一个世纪前一样神秘。
现在，阿拉巴马大学亨茨维尔分校(UAH)的Richard Lieu博士在《皇家天文学会月报》上发表了一篇论文，首次展示了引力可以在没有质量的情况下存在，提供了一种可能减轻对暗物质需求的替代理论。
“我的灵感来自于对广义相对论引力场方程的另一种解决方案的追求，这种简化版本适用于星系和星系团的条件，被称为泊松方程，在没有任何可检测质量的情况下给出了有限的引力，”UAH物理与天文学杰出教授Lieu说。
“这一动机源于我对现状的不满，即尽管一个世纪以来没有任何直接证据证明暗物质的存在，但其存在的概念仍然被广泛接受。”
研究者认为，结合星系或星系团所需的“过量”引力可能是由于宇宙中常见的同心壳状拓扑缺陷，这些缺陷很可能在早期宇宙发生相变时产生。宇宙相变是一种物理过程，整个宇宙的物质状态发生整体变化。
“目前尚不清楚宇宙中的哪种具体相变形式会产生这种拓扑缺陷，”Lieu说。
“拓扑效应是空间中非常紧凑的区域，具有非常高的物质密度，通常是线性结构，称为宇宙弦，尽管二维结构如球壳也是可能的。
“我论文中的壳由一层薄的正质量内层和一层薄的负质量外层组成；两层的总质量——即质量方面可以测量到的总质量——恰好为零，但当一颗恒星位于这个壳上时，它会受到强大的引力，向壳的中心拉动。”
由于引力本质上涉及空间-时间的弯曲，它使所有物体相互作用，无论它们是否有质量。例如，质量为零的光子已经被确认会受到天文物体引力效应的影响。
“通过星系或星系团的同心奇点壳的光线弯曲，是由于光线穿过一个壳时稍微向内偏转，也就是向大规模结构或一组壳的中心偏转，”Lieu指出。
“穿过多个壳的总效应是有限且可测量的总偏转，模拟了大量暗物质的存在，方式类似于恒星轨道的速度。
“光线偏转和恒星轨道速度是唯一衡量大规模结构中引力场强度的手段，无论是星系还是星系团。我的论文主张至少这些壳是无质量的。那么就没有必要继续这看似无休止的暗物质寻找。”
未来的研究问题可能会集中在这些壳的排列如何形成星系或星系团，以及这些结构的演化如何进行。
“这篇论文没有试图解决结构形成问题。一个有争议的问题是，这些壳最初是平面还是甚至是直线，但角动量将它们缠绕起来。还有一个问题是如何通过专门的观测来确认或否定所提出的壳。当然，即使是高度暗示性的第二种解决方案，也不足以单独否定暗物质假说——最多是一种有趣的数学练习，”Lieu总结道。
“但这是引力可以在没有质量的情况下存在的第一个证明。”