[毛記物理新聞報導] 搵唔到反而代表「搵到」?淺談缺乏暗物質星系嘅新發現(The evidence of absence implies “presence”? Comments on the latest lacking dark matter ghostly galaxies discovery)

喺舊年初,天文學家雲多肯(Pieter van Dokkum)領導嘅團隊喺著名科學期刊《自然》公佈搵到第一個「接近冇暗物質」嘅星系NGC 1052–DF2,震驚咗整個天文學界*[1]。哩個發現經傳媒大肆報導,喺坊間引起一定嘅討論。唔少反對暗物質理論嘅業餘門外漢仲話終於搵到暗物質(dark matter)其實唔存在嘅證據,終於證明到啲物理學家錯同9up啦!不過事實又係唔係真係好似佢哋講咁呢?

*最近一個月又公佈搵到第二個又係冇乜暗物質嘅星系NGC 1052–DF4[2]


重溫乜嘢係暗物質 (Recap on dark matter)

事實上哩個發現反而係「證明」咗暗物質真係存在嘅有力證據。大部分天文學家同宇宙學家,包括哩個發現嘅研究團隊,都一致認同係咁。咩話?搵唔到暗物質其實=「搵到」?原來物理學家都鍾意好似港共政府咁「搬龍門」? 當然唔係咁啦!要明點解物理學家反而會得出一個好似「完全相反」、違反直覺嘅結論,我哋首先要了解吓暗物質哩套理論係點嚟。

而家講𡁵嘅暗物質哩套理論模型喺上世紀30年代由天文學家茲威基(Fritz Zwicky)等提出,去到60-70年代要經由魯賓﹙Vera Rubin﹚等確立成型。暗物質就好似微中子(neutrions)咁,基本上同其他物質接近冇相互作用,我哋大部分情況淨係可以透過佢哋嘅重力影響間接推測到佢哋嘅存在。所以其實宇宙學入面微中子都算係暗物質嘅一種,不過係屬於熱暗物質(hot dark matter)。而現時天文學家同宇宙學家口中講嘅暗物質通常係指冷暗物質(cold dark matter)。後嚟物理學家再透過間接嘅重力影響搵到更多支持暗物質模型嘅證據,包括子彈星系團﹙bullet cluster﹚同重/弱重力透鏡﹙strong/weak gravitational lensing﹚等觀察現象,以及宇宙微波背景CMB嘅角功率譜 (CMB angular power spectrum)。詳細有關暗物質模型嘅討論小弟之前喺另一篇拙文已經講過[3] 。


所以暗物質模型其實唔係得比較多人知道,同星系觀察有關嘅星系自轉曲線﹙galaxy rotation curves﹚哩項單一證據支持。而事實上要說服物理學界公認接受一套理論模型唔係一朝一夕,幾個物理學家9噏吓就得嘅事,相反係要有好多唔同、獨立嘅證據支持,包括邏輯、數學上嘅理據,好似要有同其他模型唔一樣嘅預測結果。

另一方面,如果暗物質真係唔存在,只係錯覺嚟,咁就要由修改重力理論出發入手去解釋觀察結果。暫時理論模型例子有張量-向量-純量重力論(Tensor-vector-scalar gravity)重力熵力假說 (Emergent Gravity) 。前者就係修正牛頓重力理論 (Modified Newtonian Dynamics) 嘅符合狹義相對論嘅廣義版本,認為重力喺星系嘅尺度同機制上同太陽系、地球上嘅一般情況唔同,例如加速度去到好細時,平方反比定律(inverse-square law)就唔會再適用;後者就話重力根本唔係基本嘅物理相互作用嚟,只係微觀細小時空資訊間嘅量子糾纏結果,就好似熱力學係源於統計力學,係基本粒子間嘅其他相互作用衍生出嚟嘅效應咁。

雖然坊間媒體(尤其中文嗰啲)喺報導相關暗物質新聞時,唔少時候都鍾意吹奏修正牛頓重力理論,但某程度上哩啲理論暫時都仲停留喺單純嘅數據擬合階段,畀唔到獨特、同暗物質模型完全唔一樣嘅預測結果。模型大部分嘅預測結果唔係同觀察結果有出入,就係同暗物質模型一樣或者根本上仲未有完整嘅研究成果出嚟(即9噏階段)。好似華林德(Erik Verlinde)近年受關注嘅重力熵力假說論根本仲未成功建構到一個可以同有暗物質嘅宇宙標準模型ΛCDM比擬嘅宇宙演化模型出嚟。同暗物質模型比較之下,而家根本缺乏太多理據去說服物理學家支持哩啲理論,所以先至會唔係學界主流。暗物質模型其實冇啲門外漢諗咁容易就可以話推翻就推翻。


搵唔到暗物質其實=「搵到」?(Found no dark matter actually implies there exists dark matter?)

好啦,終於進入正題:點解喺某啲星系搵唔到暗物質=反證暗物質存在?咁係因為大部分嘅修改重力理論係「非常公平」,對所有星系係一視同仁,唔似某國或地方政府咁鍾意偏坦自己友。如果「暗物質」真係只係重力理論需要修正而衍生出嚟嘅錯覺假象,很難解釋為何會有啲星系冇「暗物質」,有啲就有。就好似牛頓嘅萬有引力所講,所有嘢都受同樣嘅重力機制影響,冇理由咁奇怪有某啲正常物質係特例,遵守另一套機制。星系NGC 1052–DF2同NGC 1052-DF4入面搵唔到暗物質嘅發現,證明就算喺同樣嘅星系重力環境下哩種「暗物質錯覺」都可以唔存在。哩個發現最自然嘅解釋就係暗物質真係由某啲粒子組成、真實存在嘅物質,所以先會喺某啲星系撞擊、演化情況下有可能被扯走或根本一開始誕生時就已經冇乜暗物質。哩個情況好似唔少偵探小說嘅情節,有啲情況下搵唔到指紋反而會令件事顯得更唔自然、可疑咁。詳細論文原作者嘅深入討論可以睇[4]

今次講到哩度,下次再講。


延伸閱讀:

[1] 《A galaxy lacking dark matter》, Nature volume 555, pages 629–632 (29 March 2018), Pieter van Dokkum et al.

[2] 《A Second Galaxy Missing Dark Matter in the NGC 1052 Group》,  The Astrophysical Journal Letter, Volume 874, Number 1 (March 2019), Pieter van Dokkum et al.

《發現第二個無暗物質填充的星系,反而加強暗物質理論》by 科技新報

《Two Unusual Galaxies Shake up the Dark Matter Debate, Again》 by WIRED (英文)

[3] 《暗物質,宇宙學入面嘅毒撚/乾物女》

[4] Pieter van Dokkum’s blog

https://www.pietervandokkum.com/ngc1052-df2 (英文)

[5] 《We Just Found a Galaxy with Almost No Dark Matter》 by 《SciShow Space》(英文)

[6] 《No Dark Matter = Proof of Dark Matter?》by 《PBS Space Time》(英文)

[7] 《什麼是暗物質、暗能量?霍金也想知道|《這世界難捉摸》|【水丰刀】閱說書#39|說書、書評》by 閱部客

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