唐·林肯是美国能源部费米实验室（美国最大的大型强子对撞机研究机构）的高级科学家。他还为公众撰写有关科学的文章，包括他最近的““（约翰霍普金斯大学出版社，2014 年）。您可以关注他Facebook。林肯将这篇文章贡献给了《Live Science》。
许多精通科学的人理所当然地认为，宇宙不仅由卡尔·萨根经常引用的“数十亿个”星系组成，而且还由大量称为暗物质的看不见的物质组成。这种奇怪的物质被认为是一种新型的亚原子粒子，它不通过相互作用相互作用，也没有强核力和弱核力。暗物质宇宙中的普遍物质也被认为是普通原子物质的五倍。
然而，现实是暗物质的存在尚未得到证实。暗物质仍然是一种假设，尽管得到了很好的支持。任何科学理论都必须做出预测，如果它是正确的，那么你所做的测量应该与预测一致。暗物质也是如此。例如，暗物质理论可以预测星系旋转的速度。但是，到目前为止，对低质量星系中心暗物质分布的详细测量结果与这些预测并不相符。
最近的一项计算改变了这一点。该计算有助于解决塔利-费舍尔关系的难题，该关系将星系的可见物质或普通物质与其旋转速度进行比较。简而言之，科学家发现螺旋星系质量越大（因此越亮），其旋转速度就越快。
但如果暗物质存在，那么一个星系有多大，不仅取决于它的可见物质，还取决于它的暗物质。由于方程的一个重要部分——暗物质的数量——缺失，塔利-费舍尔关系不应该成立。但事实确实如此。很难想象有什么方法可以将这种关系与现有的暗物质理论相协调。到目前为止。 []
暗物质起源
可能需要暗物质之类的东西的第一个迹象可以追溯到 1932 年。荷兰天文学家扬·奥尔特测量了轨道恒星的速度内并发现它们移动得太快，无法用观测到的星系质量来解释。
恒星以接近圆形的路径绕其母星系运行，而引力是将恒星保持在这些轨道上的力。牛顿方程预测，使恒星沿圆形路径运动的力 F（圆形）应等于恒星上的重力 F（重力），否则恒星将飞入太空或落入星系中心。对于那些还记得高中物理的人来说，F（圆）是惯性的陈述，只是。 F（重力）是牛顿万有引力定律。
正如预期的那样，在星系中心附近，鲁宾和福特发现 F（圆）大致等于 F（引力）。但在远离星系中心的地方，等式的两侧并没有很好地匹配。虽然各个星系的细节各不相同，但他们的观察结果基本上是普遍的。 [画廊：整个宇宙的暗物质]
如此巨大的差异需要解释。在星系中心附近，鲁宾和福特的测量意味着该理论正在发挥作用，而较大轨道距离的差异意味着正在发生一些现有理论无法解释的事情。他们的见解表明，要么我们不了解惯性如何工作（例如，F（圆形）），要么我们不了解重力如何工作（例如，F（重力））。第三种可能性是等号错误，这意味着方程不包括其他一些力或效应。这是唯一的可能性。
解释差异
自鲁宾和福特最初工作以来的 40 年里，科学家们测试了许多理论，试图解释他们发现的银河自转差异。物理学家 Mordehai Milgrom 提出了一种惯性修正方法，称为“修正牛顿动力学”或 MOND。在其最初形式中，它假设在非常低的加速度下，牛顿方程 F = ma 不起作用。
其他物理学家建议修改万有引力定律。爱因斯坦的广义相对论在这里没有帮助，因为在这个领域，爱因斯坦和牛顿的预测本质上是相同的。出于同样的原因，试图用亚原子粒子来描述引力的量子引力理论也不能成为解释。然而，有些引力理论在银河系或河外尺度上做出的预测与牛顿引力不同。所以，这些都是选择。 []
然后有人预测新力量的存在。这些想法以“，”暗示着超越的力量,以及强核力和弱核力。
最后，还有暗物质理论：一种完全不与光相互作用但具有引力的物质遍布宇宙。
如果银河系旋转测量是我们拥有的唯一数据，那么可能很难在这些不同的理论之间进行选择。毕竟，调整每个理论来解决银河旋转问题是可能的。但现在对许多不同现象的许多观察可以帮助确定最合理的理论。
一是大型星系团内星系的速度。星系移动得太快，以至于星系团无法保持在一起。另一项观测是来自非常遥远星系的光。对这些非常遥远的古代星系的观测表明，它们的光线在穿过更邻近的星系团的引力场时会发生扭曲。也有一些关于微小不均匀性的研究那是宇宙诞生的哭声。所有这些测量（以及更多）也必须通过任何新理论来解释银河旋转速度。
暗物质尚未解答的问题
暗物质理论在预测许多这些测量方面做得相当不错，这就是它在科学界备受推崇的原因。但暗物质仍然是一个未经证实的模型。迄今为止，其存在的所有证据都是间接的。如果暗物质存在，我们应该能够直接观察暗物质穿过地球时的相互作用，并且我们也许能够在大型粒子加速器中制造暗物质，例如。然而这两种方法都没有成功。
此外，暗物质应该与所有（而不仅仅是许多）天文观测结果一致。虽然暗物质是迄今为止最成功的模型，但它还没有完全成功。暗物质模型预测，像银河系这样的大星系周围的矮卫星星系比实际检测到的要多。尽管越来越多的矮星系被发现，但与暗物质的预测相比仍然太少。
另一个悬而未决的大问题是暗物质如何影响星系的亮度与其旋转速度之间的关系。这种关系于 1977 年首次提出，称为塔利-费舍尔关系，它已多次证明星系的可见质量与其旋转速度密切相关。
暗物质面临的严峻挑战
那么，后面的故事就结束了。有什么新内容？
塔利-费舍尔关系对于暗物质模型来说是一个严峻的挑战。星系的旋转受其所含物质总量的控制。如果暗物质确实存在，那么物质总量就是普通物质和暗物质的总和。
但现有的暗物质理论预测，任何随机星系都可能包含更大或更小的暗物质部分。因此，当人们测量可见质量时，您可能会遗漏总质量的很大一部分。因此，可见质量对于星系总质量（以及旋转速度）的预测效果应该很差。星系的质量可能与可见（普通）质量相似，也可能更大。
因此，没有理由期望可见质量能够很好地预测星系的旋转速度。但事实确实如此。
事实上，在一个纸今年发布的暗物质怀疑论者利用塔利-费舍尔关系对各种星系的测量来反驳暗物质假说，并提出了一种新的假设。惯性修正版，如蒙德。
更适合暗物质
然而，在一个纸六月发布的科学家们给暗物质模型带来了显着的推动。这项新工作不仅重现了暗物质模型早期预测的成功，还重现了塔利-费舍尔关系。
新论文是一个“半解析”模型，这意味着它是解析方程和模拟的结合。它模拟了早期宇宙中暗物质的聚集，暗物质的聚集可能为星系的形成奠定了基础，但也包括普通物质的相互作用，包括普通物质由于其引力而落入另一个天体、恒星的形成以及星光和超新星对落入气体的加热。通过仔细调整参数，研究人员能够更好地匹配预测的塔利-费舍尔关系。计算的关键是预测的旋转速度包括星系中重子与暗物质比率的实际值。
新的计算是验证暗物质模型的重要附加步骤。然而，这还不是最终的决定。任何成功的理论都应该与所有测量结果相一致。不同意意味着理论或数据是错误的，或者至少是不完整的。预测和测量之间仍然存在一些差异（例如大卫星周围的小卫星星系的数量），但这篇新论文让我们相信未来的工作将解决这些剩余的差异。暗物质仍然是宇宙结构的有力预测理论。它并不完整，需要通过发现实际的暗物质粒子来验证。因此，仍有工作要做。但最近的计算是朝着我们将一劳永逸地知道宇宙是否真的由黑暗面主导的那一天迈出的重要一步。
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