【博科园-科学科普】如果你看一下宇宙中所有的星系，测量能探测到的所有物质，然后标出这些星系是如何运动的，会发现很困惑。而在太阳系中行星绕着太阳运行的速度越快，离中心越近，正如万有引力定律所预测的那样：银河系中心周围的恒星不全这样。尽管质量集中在中央凸起和类似平面的圆盘上，星系外区域的恒星却以与内部区域相同的速度绕着它旋转，这与预测相反。
图注：宇宙中大规模结构的演变，从早期的统一状态到我们今天所知的聚集宇宙。如果改变了宇宙所拥有的东西，暗物质的类型和丰度就会产生一个完全不同的宇宙。图片信息及版权：Angulo et al. 2008, via Durham University
很明显，缺少一些东西，有两种解决方案：要么有一些看不见的质量弥补赤字，要么需要修改引力定律，就像我们从牛顿跳到爱因斯坦那样。虽然这两种可能性似乎都合理，但看不见的质量解释，即所谓的暗物质是远远超过了最好的选择，这是为什么？
图注：理论上单个星系可以通过暗物质或重力的改变来解释，但它们并不是我们对宇宙构成的最佳证据，也不是今天的样子。图片信息及版权：Stefania.deluca of Wikimedia Commons
首先，答案与单个星系无关。星系是已知宇宙中最脏乱的物质集合之一，当测量宇宙本身的本质时，则需要最干净的环境。有一个专门研究这个领域的研究领域——被称为物理宇宙学。当宇宙诞生时非常接近均匀：各处密度几乎完全相同。据估计，宇宙开始时密度最大的区域密度比大爆炸开始时密度最小的区域要低0.01%。引力的作用非常简单，甚至在宇宙尺度上处理小偏离的平均密度时，这就是所谓的线性系统，并为引力和暗物质提供了一个伟大的宇宙测量。
图注：在z = 0处的Illustris体积的大规模模拟，15Mpc / h深集中在最大的群集上，显示暗物质密度（左）过渡到气体密度（右），宇宙大规模结构不能在没有暗物质的情况下解释。图片信息及版权：Illustris Collaboration / Illustris Simulation
当处理大量的平均偏差时会进入所谓的非线性状态，这就使得这些测试很难得出结论。今天像银河系这样的星系可能比平均宇宙密度高一百万倍，这使得它稳固地处于非线性状态。另一方面，如果在非常大尺度上观察宇宙，或者在宇宙很早期的时候，引力效应都会更线性，这使得它成为理想的实验室。如果想知道改变引力或增加暗物质的额外成分是一种方法，需要看效果最清楚的地方，这就是最容易预测引力效应的地方——线性系统中，这是探索那个时代宇宙的最佳方式。
Top1、宇宙微波背景中的波动
图注：宇宙微波背景中的波动首先是由COBE在上世纪90年代准确地测量出来的，然后在21世纪10年代的WMAP和2010年的普朗克(上图)更准确地测量了。这幅图像编码了大量关于早期宇宙的信息，包括它的组成、年龄和历史。图片信息及版权：ESA and the Planck Collaboration
这是我们对宇宙最早的真实写照，以及大爆炸发生38万年后能量密度的波动。蓝色区域对应的是密度过大，物质集中的地方开始了不可避免的引力增长，沿着它们的路径形成恒星、星系和星系团。红色区域是密度较低的区域，物质在其周围密集的区域丢失。通过观察这些温度波动和它们之间的联系——也就是说在特定的尺度上平均波动幅度与平均温度相差甚远，可以从中了解到宇宙构成的知识。
图注：由宇宙微波背景中的数据得出的这些声波峰的相对高度和位置与由68％暗能量，27％暗物质和5％正常物质组成的宇宙完全一致，偏差受到严格限制。图片信息及版权：Planck 2015 results. XX. Constraints on inflation - Planck Collaboration (Ade, P.A.R. et al.) arXiv:1502.02114
特别是上述七个峰值的位置和高度（尤其是相对高度）与一个特定的契合度惊人地一致：一个是68%暗能量的宇宙，27%是暗物质，5%是正常物质。如果不包括暗物质，那么奇数峰和偶数峰的相对大小就无法匹配。通过修改引力理论所最好的结果是：要么得到前两个峰值（而不是第三个或更高的峰值），要么通过增加一些暗物质来获得峰值的正确光谱，这就破坏了所有的目标。爱因斯坦的引力理论没有任何已知的改变，即使事后再现也可以再现这些预测，而不会增加暗物质。
图注：由重子声学振荡引起的聚类模式的一个例子，即在某一距离上发现一个星系与其他星系的距离的可能性是受暗物质和正常物质之间的关系支配的。随着宇宙的膨胀，这一特征距离也会扩大，从而使我们能够测量哈勃常数。图片版权：Zosia Rostomian
Top2、宇宙中的大规模结构
如果有一个星系，有多大可能在距离一定距离内找到另一个星系？如果在一定的体积范围内观察宇宙，你期望在那里看到与“平均”数量的星系有什么不同？这些问题是理解大规模结构的核心，答案非常地依赖于万有引力定律和宇宙中存在的东西。一个100%的物质都是正常物质的宇宙中，在特定的大尺度上将会有大量的结构形成，而如果宇宙是由暗物质主导的，那么就只能在光滑的背景上叠加小的抑制。不需要任何模拟或非线性效应来探测这个，这一切都可以动手来计算。
图注：观测到的星系（红点）的数据点和暗物质（黑线）的宇宙学预测都非常好。蓝色的线与引力无关，不能在没有暗物质的情况下重现这个观测。图片信息及版权：S. Dodelson, from http://arxiv.org/abs/1112.1320
当关注这些最大尺度的宇宙，并与这些不同情景的预测进行比较时，结果是无可争议的。这些红点（如图所示）是来自宇宙的观察数据。黑线是标准ΛCDM宇宙学的预言，有正常物质，暗物质（六倍于正常物质的量），暗能量和广义相对论的规律。注意其中的小摆动以及如何非常好的预测与数据相匹配程度。蓝线是正常物质和修改过的重力（虚线）情景下正常物质的预测，没有暗物质。再一次也没有对已知的引力理论进行修改，即使在事后也能重现这些结果，也不包括暗物质。
Top3、早期宇宙中形成轻元素的相对丰度
图注：质子和中子在早期宇宙中形成最轻元素和同位素的途径：氘，氦-3和氦-4。核子与光子的比例决定了今天将在宇宙中的元素有多少。这些测量使我们能够非常精确地知道整个宇宙中正常物质的密度。图片信息及版权：E. Siegel / Beyond The Galaxy
这并不是一个与暗物质相关的问题，也不是非常依赖引力。早期宇宙的物理学告诉我们在宇宙非常均匀的情况下，当原子核在高能量条件下时可以准确预测氢，氘，氦-3，氦-4和锂，应该从今天看到的原始气体的大爆炸中遗留下来。所有这些结果都依赖于一个参数：宇宙中光子与重子（质子和中子组合）的比率。测量了宇宙中的光子数量，这要归功于WMAP和Planck卫星，并且还测量了这些元素的丰度。
图注：由大爆炸核合成所预测的氦-4、氘、氦-3和锂-7的预测丰度（如在红圈中观测显示的）。图片信息及版权：NASA / WMAP Science Team
把它们放在一起可以告诉我们宇宙中正常物质的总量：它是临界密度的4.9％，换句话说是所知道宇宙中正常物质的总量。它的数量与宇宙微波背景数据和大规模结构数据有着惊人的一致性，但它只有约15％的物质总量存在。再次没有已知的引力理论的修改可以给这些大规模的预测，也给这个正常物质的低丰度。
Top4、宇宙中大星系团星光的引力弯曲
图注：在光学系统中通过引力透镜可以发现宇宙中曾经见过的最深处最暗的星系，这是哈勃的前沿领域之一。图片信息及版权：NASA / STScI
当观察宇宙中最大的质量物质集合时，那些最接近于仍处于线性结构形成状态的物质，它们发出的背景光被扭曲了。这是由于星光的引力弯曲在相对论中被称为引力透镜。当使用这些观察来确定宇宙中存在的总质量是多少时，得到的数字与一直得到的数量相同：大约30％的宇宙总能量必须存在于所有形式的物质中，并加在一起重现这些结果。正常情况下只有4.9％存在，这意味着必须存在某种暗物质。
图注：星系团Abell S1063中的引力透镜，展现了物质和能量对星光的弯曲。图片信息及版权：NASA, ESA, and J. Lotz (STScI)
当看到整套数据，而不仅仅是一些关于混乱，复杂，非线性状态的小细节时，没有办法在不添加暗物质的情况下获得今天的宇宙。使用Occam剃刀（错误地）支持MOND或MOdified牛顿动力学的人需要考虑修改牛顿定律不会解决这些问题。如果使用牛顿，那么就错过了爱因斯坦相对论的成功之处，这些成就在这里不胜枚举。有夏皮罗时间延迟，有引力时间膨胀和引力红移，有大爆炸的框架和不断膨胀的宇宙的概念，有Lens-Thirring效应，直接检测引力波其测量速度等于光速。
图注：在最大的尺度上星系聚集在一起的方式（蓝色和紫色）不能通过模拟来匹配（红色）除非包含了暗物质。图片信息及版权：Gerard Lemson & the Virgo Consortium, with data from SDSS, 2dFGRS and the Millennium Simulation
而对于所有这些观察结果，引力并没有单一的修改可以重现这些成功。在公共领域里“有一些声音的人”拥护MOND（或其他修改过的引力变形）作为暗物质的合理替代物，但现在根本不是这样的。宇宙学界对暗物质的需求并不是教条主义，我们“相信”它是因为所有这些观察都要求它。然而尽管所有努力都在改变相对论，但没有任何已知的修改可以解释这四个点中的两个，更不用说全部四个，但是暗物质可以，而且确实如此。
仅仅因为暗物质对某些人来说似乎是一个欺骗因素，与修改爱因斯坦引力理论的想法相比，并不能给后者带来额外的重量。正如Umberto Eco在福柯的钟摆中所写的那样：正如那个人所说的那样，对于每一个复杂的问题都有一个简单的解决方案，这是错误的。如果有人试图向你推销修改后的引力理论，请问他们关于宇宙微波背景。问他们关于大型结构，问他们关于Big Bang Nucleosynthesis和其他全部宇宙学观察结果。直到他们有一个和暗物质一样好的答案，否则不要让自己满意。
图注：四个相互碰撞的星系团，显示x射线（粉红色）和万有引力（蓝色）之间的分离暗示暗物质。在大尺度上冷暗物质是必要的，没有替代物或方法。图片信息及版权：X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A. Mahdavi et al. (top left); X-ray: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Optical: NASA/ STScI/UCDavis/ W.Dawson et al. (top right); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milano, Italy)/CFHTLS (bottom left); X-ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (University of California, Santa Barbara), and S. Allen (Stanford University) (bottom right)
修改过的引力无法成功预测宇宙的大规模结构，这是宇宙充满暗物质的方式。直到可以的时候，作为一个严肃的竞争对手，不值得付出任何代价。在试图破译宇宙时，不能忽视物理宇宙学，而大规模结构，微波背景，光元素和星光弯曲的预测是物理宇宙学中最基本和最重要的预测。MOND对暗物质有很大的胜利：直到今天它解释了星系的旋转曲线比暗物质的旋转曲线更好。但它还不是一个物理理论，它与我们掌握的全套观察结果不一致。在那一天到来之前，暗物质将理所当然地成为构成我们宇宙质量的主要理论。
