暗物質疑棄暗投明
立場新聞 2016/10/01 11:42
Hubble Spies the Barred Spiral Galaxy NGC 4394 http://go.nasa.gov/2dumZOI
透過強力天文望遠鏡，現代人看到天上「繁星」大部份其實都是銀河（如圖一的星系），各自圍繞星系的中心旋轉。 80 多年前，天文學家發現星系外圍各星的飛行速度不按萬有引力定律的預期慢下來，卻沒有因此擺脫星系的引力逃離，懷疑星系裡有大量看不見的物質，提供額外的萬有引力（重力）。
「暗物質」假說至今已得到各方面的大量觀察證據支持，成為宇宙模型一部份。按現時的最新測量，暗物質佔宇宙質量和能量總和的 27% ，是現代宇宙學不可或缺的一員。
暗物質 (dark matter) 只有重量，但不發光（包括任何可見光以外的電磁波），亦不和光交互作用，因此地球人不能「看」到，只能透過正常物質受其重力影響的異動發現其存在。
最近，一群科學家利用紅外線觀察技術，得出星系的光與質量之間的直接關係，從而進一步分辨出暗物質和正常物質的運動狀態。
研究包括 153 個各種形態的星系，由近似銀河系以至完全由暗物質支配的都有。出乎意料之外地，無論暗物質多寡，星系的旋轉加速度（注意：有別於文首提及的速度）和正常物質之間有一個很明確的關係（下圖）。
The correlation between gravitational acceleration (y-axis) and the normal, baryonic matter (x-axis) visible in an assembly of 153 galaxies. The blue points show each individual galaxy, while the red show binned data. Image credit: The Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies, Stacy McGaugh, Federico Lelli and Jim Schombert, 2016. From https://arxiv.org/pdf/1609.05917v1.pdf.
不是說好了，暗物質和正常物質「河水不犯井水」嗎，怎麼現在又說有著這麼緊密的關係？事實上，暗物質存在的最強有力證據，就是當兩個星系相撞時，正常物質爆發出驚天動地的 X 光，暗物質卻各自帶著重力若無其事地「掂行掂過」。
不要誤會，暗物質並未「棄暗投明」。研究團隊估計，新發現的暗物質和正常物質的關係可能代表星系的最終形態，或暗物質物理未被發現的一環，甚至一種如 Kepler's Law 的新動態定律。
當然，暗物質學說本身亦未完善（例如所生成的模擬星系和正常形態相去甚遠），新發現的關係最可能指向未為人知的暗物質新物理，例如暗物質和正常物質之間可能有微弱的相互作用、「牛頓動力學改良版 (Modified Newtonian Dynamic)」，像超級液態 (superfluid) 的行為等等。
無論如何，天文學家 Arthur Kosowsky 指出，任何修訂或新學說，必須能夠得出暗物質和正常物質之間這個新發現的關係。
伸延閱讀：Ethan Siegal, "Dark Matter Faces Its Biggest Challenge Of All".