摘要：天文学家们在一个看似不可能的地方——宇宙中一些最小、最暗的星系——找到了解决一场持续数十年争论的关键线索。这场争论关乎宇宙的根本构成：是存在一种看不见的暗物质，还是我们需要修改现有的引力定律？

一群宇宙中最不起眼的矮星系，正在颠覆我们对基本引力的认知。

天文学家们在一个看似不可能的地方——宇宙中一些最小、最暗的星系——找到了解决一场持续数十年争论的关键线索。这场争论关乎宇宙的根本构成：是存在一种看不见的暗物质，还是我们需要修改现有的引力定律？

一项由莱布尼茨天体物理研究所主导的国际研究，通过对12个最暗弱矮星系的观测，发现它们的旋转速度无法用可见物质解释，也不符合修正引力理论的预测。

这些微弱星系的行为，只有用暗物质模型才能完美解释。

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01 宇宙的缺失成分

数十年来，科学家们发现宇宙中的物质比我们能看到的要多得多。星系旋转速度过快，星系团中的星系运动异常，这些现象都暗示着存在某种看不见的物质。

它们不发光、不吸收也不反射光线，只能通过引力效应被察觉到，这就是暗物质。

为解释这些现象，科学家提出了两种主要理论。一种认为宇宙中存在大量看不见的暗物质，它们形成晕轮环绕在星系周围，提供了额外的引力。

另一种理论则完全颠覆现有认知，提出引力在极低加速度下会表现出不同行为，这就是修正牛顿动力学理论。

过去几十年，这两种理论都能解释部分观测现象，但始终没有决定性证据支持哪一种。这场争论不仅仅是学术分歧，更关乎我们对宇宙基本规律的理解。

02 矮星系：宇宙的“实验法庭”

在这项最新研究中，科学家将目光投向了宇宙中最不起眼的天体——矮星系。这些星系亮度极低，有些仅包含少量恒星，但却成为检验引力理论的理想“宇宙实验室”。

由莱布尼茨天体物理研究所牵头，联合萨里大学、巴斯大学、中国南京大学等国际团队，使用英国DiRAC国家超级计算设施，分析了12个最暗弱矮星系中恒星的运动数据。

研究人员首次能够解析这些星系中不同半径处恒星的引力加速度，详细揭示它们的内部动力学特征。

领导这项研究的莱布尼茨天体物理研究所博士生Mariana Júlio指出：“最弱的矮星系长期与MOND预测存在矛盾，但这种差异以前可以被归因于测量不确定性或者通过调整MOND理论来解释。”

03 MOND理论的困境

Modified Newtonian Dynamics（MOND）理论自20世纪80年代提出以来，就以其大胆的假设吸引了一批支持者。该理论认为在加速度极低的情况下，引力定律会发生变化，从而消除了对暗物质的需求。

然而，这项新研究给出了对MOND理论极为不利的证据。

研究团队发现，这些矮星系的内部引力场无法仅凭可见物质解释，而MOND的预测无法复现观测到的行为。

Mariana Júlio解释道：“我们的观测和EDGE模拟都表明，它们的引力场不能仅由可见物质决定，这与修正引力的预测相矛盾。这一发现加强了对暗物质的需求。”

研究合著者Marcel Pawlowski博士补充道：“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解析轮廓，完全改变了局面。”

04 暗物质模型的优势

当研究人员转向暗物质模型时，情况大不相同。他们在超级计算机上运行的理论模型假设这些星系被巨大的暗物质晕所包围，结果与观测数据高度吻合。

萨里大学的Justin Read教授表示：“新的数据和建模技术使我们能够在比以前更小的尺度上绘制引力场，这让我们对这种构成宇宙大部分质量的奇怪、显然不可见的物质有了新的见解。”

研究还挑战了天文学界一个长期坚持的假设——“径向加速度关系”。该假设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简单关联。

虽然这种关系在较大系统中仍然成立，但新研究表明它在最小的星系中开始失效。

在某些情况下，相同数量的可见物质会产生不同的引力加速度，表明另一个不可见因素——很可能是暗物质——正在影响它们的行为。

05 中国在暗物质探测中的角色

正当国际团队通过矮星系研究暗物质时，中国的科学机构也在这一领域积极布局。虽然中国没有直接参与前述矮星系研究，但正通过其他途径探索暗物质这一宇宙谜题。

中国建设的江门地下中微子观测站（JUNO） 虽主要设计中微子研究，也可能为寻找暗物质提供新的探测途径。

JUNO探测器含有2万吨有机液体，置于直径约40米的球形容器中，周围配备超过1.7万个光电倍增管，其超高灵敏度使它能探测到各种罕见的粒子现象。

在空间探索方面，中国的空间站已成为国家级的空间实验室，支持着空间天文学等领域的研究。

截至2024年底，中国空间站已实施了约181个科学和应用项目，获得了超过300TB的科学数据。

这些研究虽然不直接针对暗物质，但为全面理解宇宙规律提供了宝贵数据。

06 意外发现与科学启示

科学探索往往充满意外。就在矮星系研究支持暗物质存在的同时，德克萨斯大学的研究团队在附近的Segue 1矮星系中发现了令人惊讶的现象——一个巨大黑洞，而非暗物质，在维持这个星系的引力平衡。

这一发现表明宇宙的复杂性可能超出我们现有想象。

Segue 1是一个距离银河系仅7.5万光年的邻近矮星系，包含的恒星数量极少。学生们通过分析发现，其中心恒星以快速、紧密的轨道运行，这是黑洞存在的典型信号。

进一步建模显示，这个黑洞的质量约为太阳的45万倍，几乎是Segue 1中所有恒星质量总和的10倍。

在大多数星系中，中央黑洞的质量不会超过恒星总质量，这一异常现象为星系演化理论提出了新问题。

这些相互补充甚至偶尔矛盾的发现在科学进程中至关重要。它们共同推动我们对宇宙的认知向更深层次发展。

07 未来探索与人类意义

尽管这项新研究为暗物质提供了有力支持，但科学家们强调，这并没有揭示暗物质的确切构成。未来对更暗弱、更遥远星系的观测将有助于精确理解暗物质究竟是什么。

寻找暗物质的努力也在通过其他途径进行。科学家最近提出了一种名为引力微子的新候选者。

这种粒子来源于超引力理论，具有电电荷，质量极大——接近普朗克质量，即十亿倍十亿个质子质量。

由于极其罕见，它们可能遍布宇宙却不被察觉。

约翰斯·霍普金斯大学的研究人员也在研究银河系中心的一种神秘伽马射线辉光，这可能是暗物质粒子碰撞的证据。

正如Joseph Silk教授所说：“暗物质主宰着宇宙并将星系聚集在一起。它具有极其重要的意义，我们一直在不断思考如何探测它的各种想法。”

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暗物质究竟是什么？是某种未知粒子，还是多重宇宙的涟漪？未来几年，随着江门地下中微子观测站开始采集数据，以及詹姆斯·韦伯太空望远镜对遥远星系的观测，我们或许将离答案更近一步。

宇宙的黑暗面纱正在被逐步揭开，每一次观测、每一个数据点，都可能成为拼图中的关键一片。

中国不再是宇宙探索的旁观者，而是以全面布局的姿态，加入到这场揭示宇宙本质的伟大探索中。

来源：智能学院