天文
詹姆斯·韦伯望远镜发现了引力替代理论的证据
天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜追溯宇宙最深远的过去，发现了令人惊叹的证据，支持一种替代的引力理论。
目前的宇宙早期星系形成模型认为，暗物质引发的额外引力将物质拉入缓慢形成的星系。然而，1998年首次提出的一种名为“修正牛顿动力学”(MOND)的理论则认为，宇宙早期的结构无需暗物质的参与便可快速形成。
近日，凯斯西储大学的研究人员表示，韦伯望远镜对远古星系的观测数据似乎与当前最广泛接受的冷暗物质理论(Lambda-CDM)的预测相矛盾。相反，这些数据似乎支持MOND理论的基础，这可能促使天文学家和宇宙学家重新审视这一长期具有争议的引力理论。
关于暗物质的争论
Lambda-CDM模型一直认为，暗物质是一种难以捉摸且看不见的物质，它对宇宙结构的形成至关重要。根据这一模型，暗物质的引力作用塑造了星系，并促成了大尺度结构的形成。它预测宇宙早期的星系应该显得暗淡且微小，因为它们是由暗物质缓慢拉拢聚集而成。
然而，Stacy McGaugh及其同事指出，这些预测与韦伯望远镜的观测结果不符。相反，新观测到的星系明亮、巨大且结构完整，即使科学家向更远的宇宙过去探寻。这种非预期的明亮直接挑战了基于暗物质的传统星系形成理论。
McGaugh表示：“天文学家发明了暗物质，以解释从一个非常平滑的早期宇宙到我们今天看到的大星系和它们之间大量空隙的过程，但理论所预测的并非我们实际观测到的。”
他进一步解释，如果Lambda-CDM模型是准确的，那么仅通过引力与其他物质相互作用的暗物质的额外引力作用，会让围绕早期星系的小物质碎片缓慢聚集到中心。
MOND：一种激进的替代引力理论
MOND理论由以色列物理学家Mordehai Milgrom于1983年首次提出，提供了不同的解释。该理论通过修正牛顿第二定律，解释星系旋转曲线中观测到的差异，而无需假设暗物质。这种修正适用于极小加速度区域，例如宇宙边缘区域，正是韦伯望远镜目前的观测目标。
1998年，McGaugh与Federico Lelli、Jay Franck和James Schombert共同撰文提出，星系形成的速度比传统模型预测的更快，无需暗物质的参与。他们的理论认为，星系物质迅速聚集，随宇宙膨胀扩散后，再在引力作用下坍缩。星系由此在早期便形成了巨大且明亮的结构。
证据与挑战
McGaugh及其同事指出，韦伯望远镜的数据与MOND理论的预测更为吻合。例如，他提到，R H Sanders基于MOND的预测比Mo、Mao和White基于Lambda-CDM的预测更准确。然而，尽管取得了这些成果，MOND仍是一个有争议的理论，因为将其与现代物理学基础——爱因斯坦广义相对论结合起来仍是个难题。
McGaugh坦言：“我们总是可以尝试修改理论以适应新的事实。”他承认，虽然某些观测事实与一种模型不一致并不一定要求完全抛弃该模型，但无法全面解释观测数据可能意味着理论框架存在弱点。尽管如此，现代天文学的某些测量结果仍支持暗物质假说。
Lambda-CDM的持续支持
尽管MOND似乎能够解释一些韦伯望远镜的观测结果，Lambda-CDM模型仍然广受支持。自20世纪20年代以来，该模型成功预测了宇宙的膨胀速度，并提供了一个包含宇宙学常数的框架，解释了宇宙的持续膨胀。此外，尽管宇宙几乎是平坦的，这一特性符合Lambda-CDM模型，微小的偏差仍是值得进一步探索的灰色地带。
更广泛的天体物理学界仍持谨慎态度。许多研究人员指出，Lambda-CDM经过了无数次验证，仍然是理解宇宙的一种连贯框架。尽管如此，McGaugh对这一持续的争论感到兴奋。
他表示：“人们原本预计，今天我们在近邻宇宙中看到的每个大星系，都是由极小的物质碎片开始聚集而来的。但韦伯望远镜的观测并非如此。”
虽然找到一个兼容广义相对论与MOND的理论仍是未竟的挑战，McGaugh认为，韦伯望远镜支持MOND理论及其替代引力理论的发现，已让他和同事感到某种程度的满足。
“总结一句话就是，‘我早就说过了’。”McGaugh说道，“虽然从小被教导这样说不礼貌，但这正是科学方法的核心：做出预测，然后验证哪些会实现。”
本文译自 The Debrief，由 BALI 编辑发布。