宇宙中大型结构的演变,从早期的统一状态演变为我们今天所知道的聚集宇宙。 如果我们改变宇宙拥有的物质,那么暗物质的类型和丰富度将产生出截然不同的宇宙。 (Angulo等,2008,通过达勒姆大学获得)

只有暗物质(而不是经过修改的重力)才能解释宇宙

来自“没有暗物质”阵营的许多公众支持者受到了广泛关注。 但是宇宙仍然需要暗物质。 这就是为什么。

如果您查看了宇宙中的所有星系,测量了所有可以探测到的物质的位置,然后绘制出这些星系的运动图,您会发现自己很困惑。 而在太阳系中,行星离您的中心越远,其绕太阳运行的速度就越慢-正如万有引力定律所预测的那样-银河系中心周围的恒星并没有这样做。 尽管质量集中在中央凸起和平面盘上,但银河系外围区域中的恒星以与内部区域相同的速度鞭打其周围,这违反了预测。 显然,缺少了一些东西。 我想到两个解决方案:要么是存在某种形式的看不见的质量来弥补赤字,要么是我们需要修改重力定律,就像我们从牛顿跳到爱因斯坦时所做的那样。 虽然这两种可能性似乎都是合理的,但看不见的大量解释(称为暗物质)无疑是更好的选择。 这就是为什么。

原则上,单个星系可以用暗物质或引力的变化来解释,但它们并不是我们对宇宙的构成或如何成为当今状态的最好证据。 (维基共享资源的Stefania.deluca)

首先,答案与单个星系无关。 星系是已知宇宙中最混乱的一些物体,当您测试宇宙本身的本质时,您想要尽可能干净的环境。 有一个专门的研究领域,称为物理宇宙学。 (完全公开:这是我的领域。)宇宙刚诞生时,它非常接近统一:各处的密度几乎完全相同。 据估计,宇宙最开始的最稠密区域比热的大爆炸开始时最不稠密的区域密度低0.01%。 当我们处理平均密度的微小偏差时,引力的作用非常简单且非常直接,甚至在宇宙范围内。 这被称为线性状态,它为引力和暗物质提供了很好的宇宙测试。

通过zll = 0处的Illustris体积进行的大规模投影,以最大的集群(深15 Mpc / h)为中心。 显示暗物质密度(左)转换为气体密度(右)。 没有暗物质就无法解释宇宙的大规模结构。 (Illustris协作/ Illustris模拟)

另一方面,当我们处理与平均值的较大偏差时,这会将您置于所谓的非线性机制中,而从这些检验中得出结论要困难得多。 如今,像银河系这样的星系可能比平均宇宙密度密度高一百万倍,这使其牢固地处于非线性状态。 另一方面,如果我们以非常大的规模或很早的时间观察宇宙,那么引力效应将更加线性,这使它成为您理想的实验室。 如果要研究改变重力还是添加暗物质的额外成分是可行的方法,则需要查看效果最清晰的地方,这是最容易预测重力影响的地方:在线性状态下。

这是探索那个时代的宇宙的最佳方法,以及它们告诉您的信息。

首先在1990年代由COBE精确测量了宇宙微波背景的波动,然后在2000年代通过WMAP和2010年代的Planck(以上)更准确地测量了。 该图像编码了有关早期宇宙的大量信息,包括其组成,年龄和历史。 (ESA与普朗克合作)

1.)宇宙微波背景的波动。 这是我们对宇宙的最早真实描述,而能量密度的波动距大爆炸仅38万年。 蓝色区域对应于密度过大的区域,物质团块开始不可避免的引力增长,朝着形成恒星,星系和星系团的方向前进。 红色区域是低密度区域,物质正在丢失到周围的密集区域。 通过查看这些温度波动及其相关性-即在特定规模上。 与平均温度相比,平均波动的幅度是多少?您可以了解有关宇宙组成的大量知识。

这些声音峰的相对高度和位置(从宇宙微波背景中的数据得出)与由68%暗能量,27%暗物质和5%正常物质组成的宇宙绝对一致。 偏差受到严格限制。 (普朗克2015年业绩。XX。通货膨胀约束-普朗克合作(Ade,PAR等人)arXiv:1502.02114)

特别是,上面确定的七个峰的位置和高度(尤其是相对高度)与特定的拟合非常吻合:宇宙中暗能量为68%,暗物质为27%,正常物质为5%。 如果不包括暗物质,则无法使奇数峰和偶数峰的相对大小匹配。 修改重力引力的最佳方法是要么使您获得前两个峰(但不能获得第三个峰或更高峰),要么通过添加一些暗物质来获得正确的峰光谱,这使整个目标无法实现。 对于爱因斯坦的引力,没有已知的修改可以重现这些预测,即使事后也无需添加暗物质。

重子声振荡引起的聚类模式的说明,其中在距任何其他星系一定距离处找到一个星系的可能性由暗物质和正常物质之间的关系决定。 随着宇宙的扩展,该特征距离也将扩展,从而使我们能够测量哈勃常数。 (Zosia Rostomian)

2.)宇宙中的大型结构。 如果您有一个星系,那么您有多大可能在某个距离之外找到另一个星系? 而且,如果您以一定的体积比例看待宇宙,那么您期望从那里看到的“平均”星系有哪些偏离呢? 这些问题是理解大型结构的核心,其答案在很大程度上取决于引力定律和您宇宙中的事物。 在一个宇宙中,您的物质100%是正常物质,您会在特定的大型尺度上对结构形成产生较大的抑制作用,而如果您的宇宙由暗物质占主导地位,则只有很小的抑制作用会叠加在平滑背景上。 您无需任何模拟或非线性效应即可对此进行探究。 这可以全部手动计算。

来自我们观测到的星系的数据点(红色点)和来自暗物质宇宙学的预测(黑色线)排列得非常好。 带有或不带有重力修改的蓝线在没有暗物质的情况下无法重现此观察结果。(S。Dodelson,来自http://arxiv.org/abs/1112.1320)

当我们以这些最大尺度观察宇宙并与这些不同情况的预测进行比较时,结果是无可争议的。 那些红点(带有误差线,如图所示)是来自我们自己的宇宙的观测数据。 黑线是我们的标准ΛCDM宇宙学的预测,其中正常物质,暗物质(是正常物质量的六倍),暗能量和广义相对论是控制它的定律。 请注意其中的小摆动,以及预测与数据的匹配程度(惊人的程度)。 蓝线是在标准(实心)和修正重力(点状)场景下没有暗物质的正常物质的预测。 再一次,没有引力的修改,即使事后,也可以重现这些结果,而且还不包括暗物质。

质子和中子在宇宙早期通过的路径形成最轻的元素和同位素:氘,氦3和氦4。 核子与光子的比率决定了我们今天在宇宙中将得到多少这些元素。 这些测量使我们能够非常精确地知道整个宇宙中正常物质的密度。 (E.Siegel /超越银河系)

3.)早期宇宙中形成的轻元素的相对丰度。 这不是专门与暗物质有关的问题,也不是完全依赖重力。 但是由于早期宇宙的物理原理,即当宇宙极其均匀时,原子核在足够高的能量条件下被炸裂,因此我们可以准确预测氢,氘,氦3,氦4和锂今天我们看到的原始气体中,大爆炸应该剩下7个了。 所有这些结果都只有一个参数:宇宙中光子与重子(质子和中子的总和)之比。 通过WMAP和普朗克卫星,我们已经测量了宇宙中的光子数量,并且还测量了这些元素的丰度。

大爆炸核合成预测的氦4,氘,氦3和锂7的预测丰度,观察结果以红色圆圈表示。 (NASA / WMAP科学团队)

放在一起,他们告诉我们宇宙中正常物质的总量:这是临界密度的4.9%。 换句话说,我们知道宇宙中正常物质的总量。 这个数字与宇宙微波背景数据和大规模结构数据惊人地吻合,但是,它仅占必须存在的物质总量的15%。 同样,没有已知的引力修改可以为您提供大量的预测,也可以为您提供如此低的正常物质含量。

光学中的星系MACS J0416.1–2403,是哈勃前沿场之一,通过引力透镜揭示了宇宙中最深,最暗的星系。 (NASA / STScI)

4.)来自宇宙中大型星团的星光的引力弯曲。 当我们观察宇宙中最大的团块时,最接近的团块仍处于结构形成的线性状态中,我们注意到来自它们的背景光是扭曲的。 这是由于相对论中星光的引力弯曲,称为引力透镜。 当我们使用这些观测值确定宇宙中存在的总质量是多少时,我们一直都得到相同的数字:宇宙总能量的大约30%必须存在于所有形式的物质中,加在一起,以重现这些结果。 在正常物质中仅存在4.9%,这意味着必须存在某种暗物质。

星系团Abell S1063中的引力透镜,通过物质和能量的存在展示了星光的弯曲。 (NASA,ESA和J. Lotz(STScI))

当您查看完整的数据集时,而不是混乱的,复杂的,非线性的情况下发生的事情的一些小细节,就无法获得我们今天拥有的宇宙而不添加暗物质。 使用Occam剃刀(错误地)主张MOND或MODified Newtonian Dynamics的人需要考虑修改牛顿定律不会为您解决这些问题。 如果使用牛顿,则会错过爱因斯坦相对论的成功经验,在此不胜枚举。 有夏皮罗(Shapiro)时间延迟。 有引力时间膨胀和引力红移。 有“大爆炸”的框架和扩展的“宇宙”的概念。 有镜头刺激效果。 直接检测引力波,其测得的速度等于光速。 而且星系团内部有星系运动,而星系团本身也有最大尺度的运动。

在最大尺度上,除非包含暗物质,否则模拟(红色)无法匹配星系在观察上聚集在一起的方式(蓝色和紫色)​​。 (Gerard Lemson和处女座财团,来自SDSS,2dFGRS和Millennium Simulation的数据)

对于所有这些观察结果,没有一个可以重现这些成功的引力变化。 在公共领域,有一些声乐人士主张MOND(或其他改良的重力化身)作为暗物质的合法替代品,但目前还不是。 宇宙学界对暗物质的需求根本不是教条。 我们“相信”它,因为所有这些观察都需要它。 尽管尽了所有努力来修改相对论,但尚无已知的解释可以解释这四个要点中的两个,更不用说解释所有四个要点了。 但是暗物质可以而且确实可以。

与修改爱因斯坦引力的想法相比,仅仅因为暗物质似乎是某些人的捏造因素,才不会给后者带来额外的负担。 正如翁贝托·埃考(Umberto Eco)在福柯摆锤上写道,“正如这位男子所说,对于每个复杂的问题,都有一个简单的解决方案,这是错误的。” 如果有人试图向您出售修改后的重力,请向他们询问宇宙微波背景。 向他们询问大型结构。 向他们询问大爆炸核合成以及其他全套宇宙学观测结果。 在他们给出与暗物质一样好的答案之前,请不要让自己感到满意。

四个碰撞的星系团,显示出X射线(粉红色)和引力(蓝色)之间的分离,表明暗物质。 在大规模上,冷暗物质是必要的,并且没有替代品或替代品。(X射线:NASA / CXC / UVic。/ A.Mahdavi等人,光学/透镜:CFHT / UVic。/ A。Mahdavi等人(左上); X射线:NASA / CXC / UCDavis / W.Dawson等;光学:NASA / STScI / UCDavis / W.Dawson等(右上); ESA / XMM-Newton / F。 Gastaldello(INAF / IASF,意大利米兰)/ CFHTLS(左下); X射线:NASA,ESA,CXC,M。Bradac(加利福尼亚大学,圣巴巴拉)和S. Allen(斯坦福大学)(右下) ))

修正的引力无法像充满暗物质的宇宙那样成功地预测宇宙的大规模结构。 期。 直到做到这一点,作为一个认真的竞争对手,都没有值得付出任何代价。 在尝试破译宇宙时,您不能忽略物理宇宙学,而大型结构,微波背景,光元素和星光弯曲的预测是物理宇宙学中最基本和最重要的预测之一。 MOND确实在暗物质方面取得了重大胜利:它解释了星系的自转曲线比暗物质更好,包括直到今天。 但这还不是一个物理理论,也不符合我们掌握的全套观察结果。 直到这一天到来,暗物质理应成为构成宇宙质量的主要理论。

凭借《爆炸》的开始,现在在《福布斯》上发表,并在我们的Patreon支持者的支持下在《中等》上重新发布。 伊桑(Ethan)撰写了两本书,《超越银河》和《 Treknology:从Tricorders到Warp Drive的《星际迷航》。