宇宙缺失質量在哪裡?牛津物理學家新理論可破解暗物質之謎

作者 | 發布日期 2018 年 12 月 06 日 15:22 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

宇宙中最令人崩潰的謎團不外乎暗物質與暗能量,明明占據宇宙總質量 95%,卻行蹤成謎,摸不清本質。不過現在,牛津大學天體物理學家 Jamie Farnes 提出暗物質與暗能量其實是種隨時間不斷生成的「負質量」暗流體理論,竟輕鬆解釋了所有疑點。重要的是,這套理論與廣義相對論相容,無需顛覆愛因斯坦。



負質量(negative mass)是理論物理學中一種假設的物質形式,其質量正負值與正常物質相反。這裡務必要注意的是,「負物質」與「反物質」(antimatter)是完全不同的概念,負物質擁有負質量 / 負能量,但反物質擁有正質量 / 正能量,且反物質與普通物質一樣受重力場吸引,但負物質不受重力場吸引,反而受其排斥;也可以說,如果你推動一個負質量物質,它不會順著你的力量遠離,反而會靠近你。

過去已經有科學家提出負物質概念,但過去認為負質量粒子會隨著宇宙膨脹而變得稀薄、分散,排斥力也隨時間推移變弱,與實際觀察到的宇宙正加速膨脹且充滿暗物質、暗能量結果矛盾,科學家只好將理論丟到一旁。

現在 Jamie Farnes 稍加修改愛因斯坦的廣義相對論,提出新的負物質其實一直隨著宇宙膨脹不斷生成。此前,穩態理論(Steady State Theory)也假設過新的(正)物質會隨著宇宙擴張不斷產生,使宇宙符合完美宇宙學原理(Perfect Cosmological Principle),但觀察表明該理論不正確;而 Jamie Farnes 修正後指出,穩態理論的假設並不包括負物質在內。

認定暗物質與暗能量都是一種負質量流體後,Jamie Farnes 以此開發一套 3D 電腦模型,看看是否能解釋星系的暗物質暈(註)構造。正常來說,星系的旋轉速率應該隨著與核心距離增加而減少,但實際觀測發現,星系外側旋轉速度並未如預期減少,而是與內側持平,因此科學家提出外側有暗物質暈填充,方能解釋星系外圍不至於因過大離心力而脫離。

▲ 典型的螺旋星系自轉曲線,預測曲線(A)與觀測曲線(B)矛盾。(Source:PhilHibbs [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.0 uk], from Wikimedia Commons

而 Jamie Farnes 的模擬結果證實,帶有正質量物質的星系會從各方向吸引負質量物質(暗物質與暗能量),負物質又對星系施加排斥力,能使星系以更高的速度旋轉、不至於撕裂自己。

看起來,這套新理論不需要顛覆愛因斯坦,不需要萬有理論或修正牛頓理論(MOND),就可以解釋宇宙那些神祕的缺失質量了。

Jamie Farnes 希望可以使用下一代巨型無線電望遠鏡「平方公里陣列(Square Kilometre Array,SKA)」來證實負物質說法,該望遠鏡陣列正在建造中。如果 Jamie Farnes 的理論正確,我們將能修正目前天文學家廣泛認同的宇宙 ΛCDM 模型(LambdaCDM Model),認清暗物質與暗能量的本質:也許我們只是忘記在物質前面加上一個簡單的減號。

新論文發表在《天文學和天體物理學》期刊。

註:暗物質暈是環繞在星系外圍的暗物質。

(首圖來源:pixabay

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