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    MOND究竟是個怎樣的天文學理論

    2023-11-29 08:34:00

    來源:科技日報

      柯伊伯帶的小天體以橢圓形軌道繞太陽運行,一些科學家認為,這是由于太陽系中一個尚未被觀測到的“第九行星”導致的。但若使用修正牛頓動力學(MOND)來解釋這些小天體的運動軌跡,那么“第九行星”或許就不存在。圖為柯伊伯帶內小天體示意圖。

      行星、恒星和星系的運動軌跡讓無數人著迷。此前,科學家們發現,柯伊伯帶的小天體以橢圓形軌道繞太陽運行,似乎是被引力拉向了同一個方向。因此,科學家假設在這個方向上存在著這樣一個天體,其質量是地球的5到10倍,這就是撲朔迷離的“第九行星”。近些年,科學家都在努力尋找這個“第九行星”,但截至目前,科學家還沒有通過光學、紅外或電磁波頻譜等任何一種方式觀測到過“第九行星”。

      近期,發表于《天文學雜志》的一篇文章為“第九行星”為何如此難覓蹤跡找到了一個可能的原因——如果使用修正牛頓動力學(MOND)來解釋上述現象,那么“第九行星”或許就不存在。

      那么,什么是MOND?MOND和傳統引力理論是什么關系?針對上述問題,科技日報記者采訪了相關專家。

      傳統引力理論歷經多次修正仍面臨局限

      要了解什么是MOND,首先必須追根溯源,了解其“修正”的對象——引力理論的前世今生。

      1687年,牛頓提出萬有引力定律。他認為,任何有質量的物體之間都有相互吸引的力,即萬有引力。這一理論被視為物理學的基石,為解釋天體運動和地球上的現象提供了基礎。然而,隨著科學的不斷進步,科學家們發現,很多現象用萬有引力定律無法解釋。因此,科學家們需要尋找一種能將萬有引力定律及其無法解釋的現象都囊括在內的更為完善的理論。

      20世紀初,愛因斯坦提出了廣義相對論,這一理論首次把引力場等效成時空的彎曲,修正了牛頓的萬有引力定律,被認為是一種更為完善的引力理論。但即便引入了廣義相對論,一些天體運動的規律仍不能被完全解釋。

      為了進一步解釋廣義相對論無法解釋的現象,暗物質假設于1933年被提出。瑞士裔美國籍物理學家弗里茨·茲威基在研究星系團時,發現一些星系圍繞星團中心旋轉的速度快得令人吃驚。南京大學天文與空間科學學院副教授何建華介紹,在當時,即使在觀測誤差所允許的范圍內進行最大限度的估計,也無法解釋為何這些星系的運動速度如此之快。因此,弗里茨認為,星團中必須引入一種新的不為人知的物質,來解釋這種觀測與理論不一致的狀況。他將這種新物質稱為暗物質——一種因不發光而不能被我們看到的物質。

      自此,關注天體和星系詭異的運動軌跡,以及尋找看不見、摸不著的暗物質,成為了宇宙學探索研究的主流工作之一。中國科學院國家天文臺、中國科學院大學研究員平勁松對科技日報記者介紹,2016年,天文學家提出“第九行星”時,就曾認為它可能是由暗物質構成的。

      然而,暗物質假設也不是完美無缺。如果要以暗物質來解釋引力理論不適用的觀測現象,就必須引入數量巨大的暗物質!耙氲陌滴镔|的質量占比,達到了可見物質的約5倍之多!逼絼潘杀硎。

      不引入暗物質也能解釋星系的詭異運動

      “越來越多的其他方面的天文觀測也開始支持暗物質的存在。例如,通過微波背景輻射觀測,人們發現宇宙早期溫度存在微小漲落!焙谓ㄈA說。因此,雖然對暗物質是否存在這一問題有過許多爭論,但到了20世紀80年代初,大部分天文學家還是接受了宇宙中存在大量暗物質的觀念。

      當然,對于天體和星系的詭異運動,也有一小部分科學家提出了新的看法。以色列物理學家密爾格羅姆認為,也許暗物質并不存在。為了解釋廣義相對論無法解釋的現象,應該從數學上對熟知的萬有引力定律加以修改!氨热,當動力學加速度遠小于某一個參考加速度參數時,對牛頓動力學加入一個修正因子,就可以把星系的詭異運動變得平淡無奇。這就是MOND的來源!逼絼潘烧f。

      他舉例道,在經典引力理論下,人們通常認為,距離星系中心越遠的地方受到的引力越小,旋轉速度越慢。但是,實際觀測到的星系旋轉曲線大多趨于一個常數,而現有引力理論并不足以支持觀測到的星系旋轉運動。MOND則針對這種運動引入一個大小約為0.1納米每平方秒的加速度參數,以解釋一些觀測現象與經典理論的不一致。

      MOND適用性尚需進一步研究證實

      雖然MOND通常被用來解釋大范圍的星系現象,但一些科學家認為,其在太陽系的外圍也適用;诖,他們進行了觀測和分析。

      “MOND是一種無暗物質理論,它最初是為了不訴諸暗物質而去解釋包括星系驚人的高速旋轉等現象!逼絼潘蛇M一步介紹,一些科學家借助該理論對柯伊伯帶中小天體的運動軌跡進行分析后發現,即使不存在一個額外的大行星,這些小天體奇怪的軌道模式也能被完美地解釋。

      當然,對于這些科學家的發現,也有學者提出不同意見。一些學者認為,這些科學家的研究存在巧合;還有一些學者認為,這些科學家的研究說服力不夠強。

      反對意見的出現,實質上反映了暗物質假說學派與修正理論學派之爭。中國科學院國家天文臺研究員陳學雷曾指出,一個好的科學理論必須自洽,物理學理論必須能對物體在各種情況下的運動給出預測和解釋。而對于MOND來說,這是一個挑戰,因為這個理論是基于經驗關系,而不是來自第一性原理。一旦問題超出原來的范圍,就不好運用MOND回答。

      平勁松表示,雖然MOND目前仍然不是宇宙學方向的主流,但不失為一種有競爭力的、值得研究者們付諸精力繼續研究的選擇。

      鏈接

      我國多個在研望遠鏡

      或為探索MOND提供支持

      中國科學院國家天文臺、中國科學院大學研究員平勁松表示,我國正在研制的多個天文望遠鏡,都有望為修正牛頓動力學(MOND)的探索作出貢獻!拔覈谘兄频难蔡焯胀h鏡(CSST)以及清華大學、北京大學等立項研制的多項6米及以上口徑的中型地基天文望遠鏡的探測靈敏度,有望較當下的望遠鏡提升10倍以上!逼絼潘烧f。

      記者了解到,這些望遠鏡將助力科學家在可見暗弱天體和MOND等方向開展探索。特別是與MOND有關的星系團、銀河系外緣旋臂、太陽系邊緣等研究項目預期會獲得更豐富的新觀測結果。這些結果有望為MOND的確認和實證提供支持。(吳葉凡)

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