在遙遠的宇宙（R）和現在（L）中旋轉盤星系的示意圖。
當我們觀察宇宙中的發光天體時，如恆星、星系、星系團以及星系群和它們之間的熱氣體，它講述了幾個不同的故事。一個是正常物質（基於原子核和電子）如何結合在一起，發射、吸收或以其他方式與光相互作用的故事：這是我們看待宇宙不可或缺的一部分。但另一個故事是引力。通過觀察這個天體相對於周圍環境的變化，我們可以瞭解到很多關於宇宙中引力相互作用的情況。20世紀對天文學家來說，最大的驚喜之一是，如果你看看這些大型天體結構的引力效應，光靠正常物質並不足以解釋它。
彗星星系的彗星，其星系移動得太快，不能通過重力來解釋，只觀察到質量。
如果測量大型星系團（如上圖彗星星系團）中星系的單個速度，則可以推斷必須存在多少質量才能防止星團分離。這個數字不僅比存在的恆星數量大50倍，而且大約是所有恆星、行星、氣體、塵埃、等離子體和所有其他形式的正常物質加起來的六倍。這兒有兩個簡單的選擇，來解釋這一謎題：要麼有一個新的、看不見的質量形式存在，如暗物質；或最大尺度上的引力定律偏離愛因斯坦的廣義相對論的預測，出現了某種形式的修正引力。
- 圖：可追蹤的恆星、中性氣體和（甚至更遠的）球狀星團都指向暗物質的存在，暗物質存在於一個大的、擴散的光暈中，遠遠超出正常物質的位置。
當我們觀察單個星系時，一個非常相似的效應出現了。如果你觀察在星系中心附近恆星旋轉的速度，你會發現它們與星系核心正常物質給出的速度是一致的。但當你向更遠的地方移動時，如果正常物質對星系的引力負責，那麼距離更遠的恆星的速度不會像你預期的那樣下降。在我們的太陽系中，水星比海王星運行得更快，因為太陽為我們提供引力場；在星系中，你期望質量會跟隨恆星、氣體、塵埃、等離子體和其他正常物質的位置的變化而變化，但事實並非如此。
- 圖：雖然恆星可能聚集在星盤中，正常物質可能被限制在恆星周圍的一個區域內，但暗物質在光暈中的延伸程度是發光部分的10倍以上。
原則上，同樣的兩種解釋可以解釋這種差異。如果宇宙中充滿了暗物質，這是一種只與引力相互作用的物質，但光和正常物質都看不見，那麼此時，額外的質量就會落入圍繞每個星系的巨大、瀰漫的光暈中。相反，宇宙遵循不同於廣義相對論的引力定律，修正的引力定律應該以同樣的方式影響星系——基於低於一定尺度的加速度——不管星系的大小如何。
- 圖：較小的或較年輕的星系與大或老的星系遵循不同的引力定律或加速度定律？這將大大有助於區分暗物質和修正引力。
儘管有人試圖直接探測暗物質，也有人試圖在較小的天體物理尺度上尋找不同的影響，從而揭示出與愛因斯坦廣義相對論的偏差，但這兩種努力都徒勞無功。然而，從純粹天體物理學的角度來看，有一種很好的方式來區分這兩個想法：看看數十億年前星系的旋轉曲線。
- 圖：在早期宇宙（右）和現今（左）旋轉盤星系的示意圖。注意預期轉速的差異。
如果引力定律真的背離了愛因斯坦的相對論，那麼它們應該在我們的宇宙歷史中始終以一致的方式表現出這種偏離。今天的星系應該遵循三、五或百億年前的星系相同的基本規律。另一方面，一個包含暗物質的宇宙應該表現出兩種不同的進化效應：
- 恆星形成的強大爆發應該給正常的（但不是黑暗的）物質提供大量能量，特別是在更小、更低質量的星系中，驅除一些正常物質（但保持所有暗物質）。
- 較年輕的星系應該有更少的暗物質落入其中，如果它們的早期旋轉被我們觀察到，那麼暗物質的密度應該更低。
- 矮星系，就像這裡拍攝的星系一樣，暗物質與正常物質比值要大得多，因為恆星形成的爆發已經驅逐了大部分正常物質。
其中第一個效應已經注意到很多年了：矮星系被暗物質所支配，其程度甚至比大型的螺旋星系還要大。不幸的是，光靠這種效應還不足以區分暗物質和修正引力，因為同樣的加速度定律也描述了這些系統。但是，技術和方法終於發展到可以開始測量遙遠、年輕的星系的自轉曲線。對於年輕的星系，我們預計這些星系發光部分的暗物質會更少，這意味著我們期望離星系外圍更近的恆星比現代星系的恆星旋轉得更慢。
在《自然》雜誌發表的一篇新論文中，主要作者萊因哈德·根澤爾聲稱已經發現了這一點。根澤爾通過研究六個獨立明亮的星系，他發現了這種效應：更遙遠的星系在外圍的旋轉速度比在中心慢，看來暗物質取得了重大勝利！
- 圖：年輕、明亮、早期星系的六個旋轉曲線曾經認為暗物質在年輕的宇宙中不那麼占主導地位。
暗物質是存在的，但不是如根澤爾聲稱的那樣。如果你細看根澤爾聲稱的六個星系曲線，它們並沒有顯示出支持這一想法的實質性效果。正如斯泰西·麥戈（Stacy McGaugh）所指出的那樣，旋轉曲線與平面是完全一致的，更重要的是，與地表的亮度相關，就像當地的星系一樣。
然而，另一個研究團隊也使用同樣的技術，不只是對六個星系進行研究，他們總共研究了101個星系。當他們使用稱為“疊加”的技術時，他們先校準每個星系，以檢驗它們的總體平均屬性。他們發現，事實上，當遠離這些星系的中心時，在旋轉速度上有一個急劇的下降。
- 圖：近100個星系的疊加旋轉曲線，在上圖的底圖中突出了能夠貢獻每個數據點的星系數。
值得注意的是，這是一個強有力的證據，指向暗物質而不是修正引力！正如菲利普·朗和他的合著者在一篇提交給《天體物理學雜誌》的論文中所寫的：
“我們的疊加旋轉曲線顯示出超過旋轉半徑的天體的旋轉速度，下降到最大歸一化速度Vmax的62%，確認了作為我們High-Z 盤星系樣本的代表性特徵的下降。在我們的疊加旋轉曲線中，你所看到的速度下降，明顯偏離了在 大於3σ顯著性水平下相同質量的局部螺旋的平均旋轉曲線。“
從他們試圖將各種暗物質（而不是暗物質）模型與這些數據相匹配的過程中可以看出，仍然有很好的證據證明暗物質存在，它只是處於星系演化的不同階段。
- 圖：允許暗物質隨時間演化的模型，如預期的那樣，匹配得非常好。
如果這個結果能支持越來越多的數據，這將為我們提供一個瞭解星系演化的窗口，最終使我們能夠以一種清晰而穩健的方式，區分暗物質和修正引力。這些類型的觀測，用來測量幾十億光年之外的星系的旋轉曲線，將成為21世紀20年代新望遠鏡的首要科學目標，如歐洲極大望遠鏡（E-ELT）和廣域紅外勘測望遠鏡（WFIRST）。
雙方將繼續為數據的解釋而爭論，但最終，全部的數據將揭示自然真實行為。愛因斯坦相對論會被取代嗎？暗物質真的存在嗎？再過十年，答案可能會最終揭曉。
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