MOND究竟是个怎样的天文学理论

发布时间:2024-03-03 10:53:21 来源: sp20240303

  柯伊伯带的小天体以椭圆形轨道绕太阳运行,一些科学家认为,这是由于太阳系中一个尚未被观测到的“第九行星”导致的。但若使用修正牛顿动力学(MOND)来解释这些小天体的运动轨迹,那么“第九行星”或许就不存在。图为柯伊伯带内小天体示意图。

  行星、恒星和星系的运动轨迹让无数人着迷。此前,科学家们发现,柯伊伯带的小天体以椭圆形轨道绕太阳运行,似乎是被引力拉向了同一个方向。因此,科学家假设在这个方向上存在着这样一个天体,其质量是地球的5到10倍,这就是扑朔迷离的“第九行星”。近些年,科学家都在努力寻找这个“第九行星”,但截至目前,科学家还没有通过光学、红外或电磁波频谱等任何一种方式观测到过“第九行星”。

  近期,发表于《天文学杂志》的一篇文章为“第九行星”为何如此难觅踪迹找到了一个可能的原因——如果使用修正牛顿动力学(MOND)来解释上述现象,那么“第九行星”或许就不存在。

  那么,什么是MOND?MOND和传统引力理论是什么关系?针对上述问题,科技日报记者采访了相关专家。

  传统引力理论历经多次修正仍面临局限

  要了解什么是MOND,首先必须追根溯源,了解其“修正”的对象——引力理论的前世今生。

  1687年,牛顿提出万有引力定律。他认为,任何有质量的物体之间都有相互吸引的力,即万有引力。这一理论被视为物理学的基石,为解释天体运动和地球上的现象提供了基础。然而,随着科学的不断进步,科学家们发现,很多现象用万有引力定律无法解释。因此,科学家们需要寻找一种能将万有引力定律及其无法解释的现象都囊括在内的更为完善的理论。

  20世纪初,爱因斯坦提出了广义相对论,这一理论首次把引力场等效成时空的弯曲,修正了牛顿的万有引力定律,被认为是一种更为完善的引力理论。但即便引入了广义相对论,一些天体运动的规律仍不能被完全解释。

  为了进一步解释广义相对论无法解释的现象,暗物质假设于1933年被提出。瑞士裔美国籍物理学家弗里茨·兹威基在研究星系团时,发现一些星系围绕星团中心旋转的速度快得令人吃惊。南京大学天文与空间科学学院副教授何建华介绍,在当时,即使在观测误差所允许的范围内进行最大限度的估计,也无法解释为何这些星系的运动速度如此之快。因此,弗里茨认为,星团中必须引入一种新的不为人知的物质,来解释这种观测与理论不一致的状况。他将这种新物质称为暗物质——一种因不发光而不能被我们看到的物质。

  自此,关注天体和星系诡异的运动轨迹,以及寻找看不见、摸不着的暗物质,成为了宇宙学探索研究的主流工作之一。中国科学院国家天文台、中国科学院大学研究员平劲松对科技日报记者介绍,2016年,天文学家提出“第九行星”时,就曾认为它可能是由暗物质构成的。

  然而,暗物质假设也不是完美无缺。如果要以暗物质来解释引力理论不适用的观测现象,就必须引入数量巨大的暗物质。“引入的暗物质的质量占比,达到了可见物质的约5倍之多。”平劲松表示。

  不引入暗物质也能解释星系的诡异运动

  “越来越多的其他方面的天文观测也开始支持暗物质的存在。例如,通过微波背景辐射观测,人们发现宇宙早期温度存在微小涨落。”何建华说。因此,虽然对暗物质是否存在这一问题有过许多争论,但到了20世纪80年代初,大部分天文学家还是接受了宇宙中存在大量暗物质的观念。

  当然,对于天体和星系的诡异运动,也有一小部分科学家提出了新的看法。以色列物理学家密尔格罗姆认为,也许暗物质并不存在。为了解释广义相对论无法解释的现象,应该从数学上对熟知的万有引力定律加以修改。“比如,当动力学加速度远小于某一个参考加速度参数时,对牛顿动力学加入一个修正因子,就可以把星系的诡异运动变得平淡无奇。这就是MOND的来源。”平劲松说。

  他举例道,在经典引力理论下,人们通常认为,距离星系中心越远的地方受到的引力越小,旋转速度越慢。但是,实际观测到的星系旋转曲线大多趋于一个常数,而现有引力理论并不足以支持观测到的星系旋转运动。MOND则针对这种运动引入一个大小约为0.1纳米每平方秒的加速度参数,以解释一些观测现象与经典理论的不一致。

  MOND适用性尚需进一步研究证实

  虽然MOND通常被用来解释大范围的星系现象,但一些科学家认为,其在太阳系的外围也适用。基于此,他们进行了观测和分析。

  “MOND是一种无暗物质理论,它最初是为了不诉诸暗物质而去解释包括星系惊人的高速旋转等现象。”平劲松进一步介绍,一些科学家借助该理论对柯伊伯带中小天体的运动轨迹进行分析后发现,即使不存在一个额外的大行星,这些小天体奇怪的轨道模式也能被完美地解释。

  当然,对于这些科学家的发现,也有学者提出不同意见。一些学者认为,这些科学家的研究存在巧合;还有一些学者认为,这些科学家的研究说服力不够强。

  反对意见的出现,实质上反映了暗物质假说学派与修正理论学派之争。中国科学院国家天文台研究员陈学雷曾指出,一个好的科学理论必须自洽,物理学理论必须能对物体在各种情况下的运动给出预测和解释。而对于MOND来说,这是一个挑战,因为这个理论是基于经验关系,而不是来自第一性原理。一旦问题超出原来的范围,就不好运用MOND回答。

  平劲松表示,虽然MOND目前仍然不是宇宙学方向的主流,但不失为一种有竞争力的、值得研究者们付诸精力继续研究的选择。

  链接

  我国多个在研望远镜

  或为探索MOND提供支持

  中国科学院国家天文台、中国科学院大学研究员平劲松表示,我国正在研制的多个天文望远镜,都有望为修正牛顿动力学(MOND)的探索作出贡献。“我国正在研制的巡天太空望远镜(CSST)以及清华大学、北京大学等立项研制的多项6米及以上口径的中型地基天文望远镜的探测灵敏度,有望较当下的望远镜提升10倍以上。”平劲松说。

  记者了解到,这些望远镜将助力科学家在可见暗弱天体和MOND等方向开展探索。特别是与MOND有关的星系团、银河系外缘旋臂、太阳系边缘等研究项目预期会获得更丰富的新观测结果。这些结果有望为MOND的确认和实证提供支持。(吴叶凡)

(责编:李依环、李昉)