宇宙新模型：探索神秘暗物質和萬有引力？

過去30年，大多數宇宙學家都利用“標準模型”來回答很多關于宇宙的問題，比如那些可能占據了宇宙很大一部分的神秘暗物質和暗能量到底是什么？宇宙為什么還在擴張？利用“標準模型”，科學家在模擬宇宙形成和匹配觀測數據等方面都取得了廣泛成功。但是，并非一切都非常符合“標準模型”的預測。那么，之間存在的差異是需要換一種觀察解釋方法，還是需要更徹底的反思呢？今年7月7日星期二，2015國家天文學會議(NAM)的一次特別會議聚集了很多天文學家，會議不僅希望充分利用已有證據，還希望促進科學家對宇宙學“標準模型”之外的理論做進一步研究。

在一種理論中，認為給了宇宙而外質量的最佳可能是冷暗物質(CDM)。該理論認為CDM粒子移動速度比光慢，而且與電磁輻射的相互作用很弱。然而，迄今為止還沒有人真正檢測到CDM。杜倫大學計算宇宙學研究所(ICC)的Sownak Bose將在NAM2015會議介紹自己的新理論，他認為惰性中微子才是暗物質，而且最近可能檢測到了惰性中微子。

Bose解釋說：“比普通中微子相互作用更弱的中微子被稱作惰性中微子，它們的主要相互作用通過引力。它和CDM的關鍵區別在于，在大爆炸剛剛發生后，惰性中微子的速度比CDM的速度大，它能夠從產生的地方向隨機方向移動。相對CDM，惰性中微子模型的結構不僅被抹黑了，而且在小尺度上的結構豐富性有所降低。通過模擬宇宙從出生開始的演化，并觀察現今結構的分布(比如矮物質星系)，我們可以測試惰性中微子模型或者CDM哪個更符合實際觀察。”

去年，兩個獨立組織使用錢德拉(Chandra)和XMM-Newton X射線望遠鏡檢測了星系群的X 射線波段，他們都發現了一個無法解釋的發射譜線。發射譜線的能量符合惰性中微子的能量在宇宙生命周期衰變后的預測。Bose和杜倫大學ICC的同事們使用復雜的星系形成模型，以研究將惰性中微子對應這樣一個信號后，是否可以幫助歸零校正暗物質的真實身份。

Bose說：“我們的模型表明將一個有質量的惰性中微子對應檢測到的信號后，模型可以通過當前許多對暗物質的天體物理測試。我們可能已經看到的第一個證明惰性中微子的證據，這讓我們感到非常興奮。”

然而，并不是所有人認為解釋觀測現象需要借助于暗物質帶來的額外質量。圣安德魯斯大學的Indranil Banik和他的同事們認為，修改現有的引力理論就可能解決問題。Banik和他的同事們構建了一個詳細的模型來預測本地星團內星系的速度，本地星團由銀河系和臨近的仙女座星系支配。

Banik說：“在大尺度上，宇宙正在膨脹，離我們越遠的星系遠離我們的速度更快。但本地尺度下則不是這樣，將牛頓引力理論應用到我們的模型后，得到的結果并不能很好的匹配觀測結果。一些本地星系向外脫離的速度非常快，就好像銀河系和仙女座不存在任何引力！”

圣安德魯斯大學的研究表明，銀河系和仙女座約90億年前的親密接觸引起的引力“爆發”可以解釋這些本地星團的星系為什么快速遠離本地星團。如果兩個星系以每秒600公里左右的速度快速接近，對本地星團的其它星系可以產生引力彈弓效應。

Banik說：“這和航天器在太陽系獲得脫離太陽速度的方法類似。本質上講，大質量物體(銀河系和仙女座)會因為身邊經過其它物體產生的引力而使速度略有放緩，而矮星系因為質量輕得多卻因此會大大加速。這種解釋符合我們的觀察，但不符合牛頓引力。相比銀河系和仙女座親密接觸產生的力量，萬有引力微不足道。因此，我們相信我們的工作支持了一種改進的引力理論，通過星系觀測我們為這種改進引力理論提供了越來越多的證據。”

宇宙中暗能量的數量也是一個有爭議的問題。暗能量是一種導致宇宙膨脹加速的能量場。它存在的第一個證據通過測量Ia型超新星得到，Ia型超新星被天文學家作為確定距離的宇宙燈塔。然而，現在有越來越多的證據表明，Ia型超新星并不是“標準燈塔”，白矮星爆炸的精確亮度取決于宿主星系的環境。現在，劍橋大學的希瑟·坎貝爾博士和他的同事使用了迄今為止超新星和宿主星系的最大樣本，以更好研究宿主星系和超新星亮度之間的關系。

坎貝爾說：“如果天文學家要對暗能量做最精確的測量，那么理解宿主屬性產生的影響至關重要。更大質量的星系往往有亮度更微弱的超新星。如果沒有正確得到星系的屬性，那么宇宙中暗能量的數量將被低估。這項工作對LSST和Euclid等未來的望遠鏡和太空任務至關重要的。因為這些太空計劃都試圖對宇宙膨脹進行精密測量。”

2015國家天文學會議的會議召集人彼得·科爾斯教授說：“盡管宇宙學近年來取得了很大進步，但許多問題仍有待回答，很多問題事實上甚至還沒有答案。這次會議是一個及時發現我們目前存在哪些理解分歧的機會，我們也會提出一些填補這些分歧的想法。”

（作者：愿愿）