矮星系的天平倾向于暗物质，而不是修正引力

在像 M33（左）这样的螺旋星系中，可见物质和引力加速度之间的联系已经得到充分建立。波江座 II（右）等微弱矮星系显示出较低的加速度。研究表明，它们的引力场不能仅用可见物质来解释，并强化了对暗物质的需求。图片来源：图片来源：ESO/DSS2 （D. De Martin）;DES （S.E. Koposov），作曲：AIP （M. P. Júlio）

（蜘蛛网eeook.com）据波茨坦莱布尼茨天体物理研究所：由波茨坦莱布尼茨天体物理研究所 （AIP） 领导的一个国际研究小组揭示了一场长达数十年的争论，即为什么星系的自转速度比预期快，以及这种行为是由看不见的暗物质引起的，还是由宇宙尺度上的引力坍缩引起的。

该研究由AIP牵头，与萨里大学、巴斯大学、中国南京大学、葡萄牙波尔图大学、荷兰莱顿大学和瑞典隆德大学合作，分析了宇宙中12个最小和最暗星系的恒星速度数据，以检验竞争对手的理论。

其中包括修正牛顿动力学 （MOND）——一种在 1980 年代首次提出的替代理论，它表明引力定律在非常低的加速度下发生变化，因此在非常大的距离尺度上发生变化，完全消除了对暗物质的需求。

作者发现，星系的内部引力场不能仅用可见物质来解释，而且 MOND 预测无法重现观察到的行为。然后，他们将他们的结果与理论模型进行了比较，这些模型假设这些星系被巨大的暗物质光环包围。这些暗物质模型在英国的 DiRAC 国家超级计算机设施上运行，与数据的匹配度要高得多。

波茨坦莱布尼茨天体物理研究所 （AIP） 的博士生、该研究的主要作者 Mariana Júlio 表示：“最小的矮星系长期以来一直与 MOND 预测保持紧张关系，但这种差异可以通过测量不确定性或采用 MOND 理论来解释。

“我们第一次能够解析不同半径最微弱星系中恒星的引力加速度，详细揭示它们的内部动力学。观测结果和我们的 EDGE 模拟都表明，它们的引力场不能仅通过可见物质来确定，这与修改后的引力预测相矛盾。这一发现强化了对暗物质的需求，并使我们更接近于了解其本质。

这项研究被接受发表在《天文学与天体物理学》上，目前可在 arXiv 预印本服务器上获得，该研究还挑战了关于星系行为方式的长期假设。天文学家长期以来一直认为，星系中可见物质的数量与其产生的引力强度之间存在着简单的联系——称为“径向加速度关系”。虽然这种关系对于较大的系统仍然有效，但新研究表明，它在最小的星系中开始分解。

“我们的新研究通过使用更好的数据和更深入的分析来推断矮星系的实际径向分辨率剖面，彻底改变了情况，”该研究的合著者 Marcel Pawlowski 博士补充道。“我们的结果证实了早期的怀疑，即矮星系与更大质量星系的预期不符。它们与外推的径向加速度关系不一致，但显示出更大的加速度，或者在暗物质图中，缺失的质量更多。

在某些情况下，相同数量的可见物质可以产生不同的引力加速度，这表明另一个看不见的因素——很可能是暗物质——正在影响它们的行为。

该研究的合著者、萨里大学的贾斯汀·里德教授说：“新的数据和建模技术使我们能够在比以往更小的尺度上绘制引力场的地图，这让我们对构成宇宙大部分质量的奇怪、显然看不见的物质有了新的见解。

“我们的结果表明，仅根据我们所看到的信息来确定最小星系的引力场强度，没有足够的信息。如果这些星系被看不见的暗物质光环包围，则可以解释这一结果，因为暗物质编码“缺失的信息”。但 MOND 理论——至少到目前为止提出的理论——要求引力场只能由我们所看到的来决定。这似乎行不通。

虽然这些发现没有揭示暗物质是由什么组成的，但它们确实缩小了替代解释的空间。未来对更暗、更遥远的星系的观测将有助于磨练暗物质到底是什么。

更多信息：Mariana P. Júlio 等人，星系形成边缘处的径向加速度关系：测试其在低质量矮星系中的普遍性，arXiv （2025）。DOI：10.48550/arxiv.2510.06905