暗物质研究：它是“真实的东西”还是被误解的重力？
对25.9万个孤立星系的重力测量显示，暗物质的贡献和普通物质的贡献之间有非常密切的关系，正如Verlinde的新兴重力理论和一个称为修改牛顿动力学(MOND)的替代模型所预测的那样。然而，这些结果似乎也与假设暗物质是 "真实的东西 "的宇宙计算机模拟相一致。
这项新研究是由一个国际天文学家团队进行的，由Margot Brouwer（荷兰格罗宁根大学）领导。Kyle Oman和Edwin Valentijn也发挥了进一步的重要作用。2016年，Brouwer也对Verlinde的想法进行了首次测试；这次，Verlinde本人也加入了研究团队。
物质还是引力？
到目前为止，暗物质从未被直接观察到。天文学家在夜空中观察到的是潜在存在的物质的后果：星光的弯曲，比预期更快的恒星移动，甚至是对整个星系运动的影响。毫无疑问，所有这些影响都是由引力引起的，但问题是：我们是否真正观察到由不可见物质引起的额外引力，还是引力定律本身就是我们还没有完全理解的东西？
为了回答这个问题，新研究使用了一种与2016年原始测试中使用的类似的方法。Brouwer和她的同事们利用了十年前开始的一系列持续的摄影测量：KiloDegree Survey（KiDS），使用ESO在智利的VLT勘测望远镜进行。在这些观测中，人们测量来自遥远的星系的星光在到达我们的望远镜的途中是如何被重力弯曲的。在2016年，对这种 "透镜效应 "的测量只覆盖了夜空中大约180平方度的区域，而在此期间，这已经扩展到了大约1000平方度--使研究人员能够测量大约100万个不同星系的重力分布。
比较测试
Brouwer和她的同事们选择了超过25.9万个孤立的星系，他们能够对这些星系进行所谓的 "径向加速度关系"（RAR）测量。这个RAR将基于星系中可见物质的预期重力量与实际存在的重力量进行比较--换句话说：结果显示除了正常物质引起的重力外，还有多少 "额外 "的重力。直到现在，额外引力的数量只能通过观察恒星的运动来确定在星系的外部区域，以及通过测量冷气体的旋转速度来确定在一个大约五倍大的区域。利用引力的透镜效应，研究人员现在能够在小一百倍的引力强度下确定RAR，使他们能够更深入地渗透到各个星系之外的区域。
这使得他们能够极其精确地测量额外的引力--但是这种引力是不可见的暗物质的结果，还是我们需要提高对引力本身的理解？
作者 Kyle Oman表示，"真实的东西 "的假设至少有一部分似乎是有效的。“在我们的研究中，我们将测量结果与四种不同的理论模型进行了比较：两种模型假设暗物质的存在，并构成了我们宇宙的计算机模拟的基础，还有两种模型修改了引力定律--Erik Verlinde的衍生引力模型和所谓的'修改牛顿动力学'（MOND）。”
“两个暗物质模拟中的一个，MICE，做出的预测与我们的测量结果非常吻合。让我们感到惊讶的是，另一个模拟，BAHAMAS，导致了非常不同的预测结果。这两个模型的预测完全不同已经很令人惊讶了，因为这两个模型是如此相似。但是，此外，我们预计，如果有差异出现，BAHAMAS将表现得最好。BAHAMAS是一个比MICE更详细的模型，更接近我们目前对星系如何在有暗物质的宇宙中形成的理解。尽管如此，如果我们将MICE的预测与我们的测量结果进行比较，它的表现还是更好。在未来，基于我们的发现，我们希望进一步研究是什么导致了模拟之间的差异。”
年轻和古老的星系
这样看来，至少有一个暗物质模型似乎确实可行。然而，引力的替代模型也预测了测量的RAR。似乎是一种对峙--那么我们如何找出哪个模型是正确的？领导该研究小组的Margot Brouwer继续说道：“根据我们的测试，我们最初的结论是，两个备选的重力模型和MICE与观测结果相当匹配。然而，最激动人心的部分还在后面：因为我们可以获得超过25.9万个星系，我们可以将它们分为几种类型--相对年轻的蓝色螺旋星系与相对古老的红色椭圆星系。”
这两种类型的星系产生的方式非常不同：红色椭圆星系是在不同的星系相互作用时形成的，例如当两个蓝色螺旋星系紧密地经过对方时，甚至发生碰撞。因此，在暗物质的粒子理论中的期望是，不同类型的星系中的常规物质和暗物质的比例可以有所不同。另一方面，Verlinde理论和MOND等模型没有利用暗物质粒子，因此预测两类星系中预期和测量的重力之间有一个固定的比例--也就是说，与它们的类型无关。Brouwer表示：“我们发现这两种类型的星系的RARs有很大的不同。这将是对暗物质作为一种粒子存在的强烈暗示。”
然而，有一个注意事项：气体。许多星系可能被弥漫的热气云所包围，这是很难观察到的。如果年轻的蓝色螺旋星系周围几乎没有任何气体，而老的红色椭圆星系却生活在大量的气体云中--其质量与恒星本身大致相同--那么这就可以解释这两种类型的RAR的差异。
为了对测量的差异作出最终判断，我们还需要测量弥散气体的数量--而这正是使用KiDS望远镜所不能做到的。对一小群大约100个星系进行了其他测量，这些测量确实发现了椭圆星系周围有更多的气体，但目前还不清楚这些测量对目前研究中的259000个星系有多大的代表性。
如果事实证明额外的气体不能解释这两类星系之间的差异，那么测量结果在暗物质粒子方面比在其他引力模型方面更容易理解。但即使如此，事情也还没有解决。虽然测量到的差异很难用MOND来解释，但Erik Verlinde仍然认为他自己的模型有一条出路。
Verlinde："我目前的模型只适用于静态的、孤立的、球形的星系，所以不能期望它能区分不同类型的星系。我将这些结果视为一种挑战和灵感，以发展我的理论的不对称、动态版本，在这种情况下，具有不同形状和历史的星系可以有不同数量的'表观暗物质'。"
因此，即使在新的测量结果出来后，暗物质和替代引力理论之间的争议也还没有解决。尽管如此，新的结果仍然是向前迈出的一大步：如果测量到的两类星系之间的引力差异是正确的，那么最终的模型，不管是哪一个，都必须足够精确，以解释这种差异。这尤其意味着许多现有的模型可以被抛弃，这就大大缩小了可能的解释范围。除此之外，新研究表明，对星系周围的热气体进行系统的测量是必要的。
