恒星仍然有秘密。我们知道它们为什么发光，我们也知道它们为什么闪烁，但我们仍然不知道它们为什么会以现在这种方式运动。这个问题已经困扰我们近一个世纪了。在 20 世纪 30 年代，瑞士天文学家弗里茨·兹威基观察到，大约 1000 个星系的星系团中的一些星系围绕它们的公共质心飞速运转。即使对单个星系的质量进行了慷慨的估计，它们的总和也不足以解释这种运动。兹威基通过推测存在一种新的物质来解决这种不匹配：“暗物质”。
在 20 世纪 70 年代，2016 年去世的美国天文学家维拉·鲁宾在单个星系中看到了同样的情况。星系中心以外远处恒星的速度与中心附近的恒星速度大致相同，而天文学家原本预计由于星系远处的引力减弱，它们的速度会减慢。同样，仅凭可见物质的质量不足以解释观测结果。鲁宾得出结论，暗物质也一定存在于星系中。
从那时起，越来越多的证据表明我们一定遗漏了什么。天文学家在宇宙背景辐射中看到的微小温度波动，以及星系和星系团周围光的引力弯曲，以及遍布太空的大尺度结构的宇宙网的形成，都证实了仅靠普通物质无法解释我们所看到的一切。
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几十年来，最流行的假设一直是暗物质由新的、迄今未被探测到的、不与光相互作用的粒子组成。我们拥有正确的粒子但引力定律错误的另一种解释很少受到关注。
三十年前，这种立场是合理的。粒子暗物质的想法之所以受到关注，是因为当时物理学家有其他理由相信新粒子的存在。大约在 20 世纪 50 年代和 60 年代，物理学家意识到构成原子的质子、中子和电子并不是唯一存在的粒子。在接下来的几十年里，粒子加速器开始不断发现新的粒子；这些粒子构成了粒子物理学的标准模型，并开启了理论家们对更多可能性的思路。例如，将自然界的基本力统一为单一力的努力需要理论化一套新的粒子，而 20 世纪 70 年代发展起来的超对称概念预测了宇宙中每个已知粒子的镜像粒子。其中一些理论粒子可以成为良好的暗物质候选者。另一个可能的角色是轴子，这是一种为解释标准模型中一个参数的微小性而发明的粒子。但在经历了三十年探测这些粒子但都失败的尝试后，忽视替代假设已不再合理。
图片来源：Lynette Cook
与此同时，暗物质由粒子组成的想法受到了来自完全不同方向的压力。我们（麦高）以及其他人收集和分析的新的天体物理数据与粒子暗物质的预测相冲突。越来越清楚的是，即使经过多次尝试解决，暗物质范式的一些旧问题仍然存在。
更新引力方程仍然是一种可行的方法。与其在宇宙中添加粒子来解释星系和星系团中似乎存在的额外引力，不如坚持已知的粒子，但增加它们彼此施加的力。经过修改的引力理论（这些理论的统称）经常被忽视和忽略，但从未被排除。现在是重新考虑我们一直在错误的地方寻找错误的东西这个选项的好时机。现在是时候仔细研究修改后的引力了。
调整引力
由以色列物理学家摩德海·米尔格龙于 1983 年首次提出，修改后的引力改变了支配引力如何从质量中产生的数学规则。在大多数情况下（即，在牛顿引力是一个很好的近似值的非极端情况下），我们用平方反比定律来描述这种力：两个物体之间的引力强度取决于它们的质量，并随着它们之间距离的平方反比而减小。这个定律是经典的，并且在物理学的各个领域都出现，从描述光强度如何随距离下降的方程到描述声压的规则。但是，如果引力并不总是遵循平方反比定律呢？如果在某些情况下，应该调整方程呢？
米尔格龙的第一个提议——修正牛顿动力学 (MOND)——仅处理牛顿引力定律。但爱因斯坦的广义相对论告诉我们，引力不是一种力，而是由空间和时间的曲率引起的。原始 MOND 的这种局限性很可能是许多物理学家没有认真对待这个想法的关键原因。但我们现在知道几种使 MOND 与广义相对论兼容的方法，每种方法都使用不同类型的场，这些场的行为略有不同，以描述引力吸引力如何从质量中产生。正是这 10 个左右更完整的理论，我们统称为修改后的引力。仅仅从理论角度驳斥它们不再是合理的。对修改后的引力的另一个反对意见是，从粒子物理学的角度来看，它的数学表达式显得不够优雅。它不仅看起来很陌生，而且比粒子暗物质更难处理，粒子暗物质采用了作为标准课程一部分教授的技术。尽管这些因素有助于解释这个想法的不受欢迎，但它们并不是否定它的科学理由。
尽管修改后的引力具有潜力，但科学家们几乎将他们在这个领域的所有精力都投入到寻找暗物质上。自 20 世纪 80 年代中期以来，数十个项目一直在寻找暗物质粒子与普通物质之间预测的罕见相互作用。此类实验将大型液化稀有气体罐或精心制备的固体（保持在极低温度下）放置在屏蔽良好的环境中，例如地下矿井，以避免宇宙射线的污染。灵敏的探测器耐心地等待暗物质粒子在液体或固体目标中撞击原子核的明显迹象。
最新一轮的暗物质搜索刚刚结束。位于南达科他州的非常灵敏的大型地下氙 (LUX) 实验和位于中国四川省的 PandaX-II（粒子和天体物理氙探测器），像之前的所有其他暗物质探测实验一样，最近报告称没有发现可以构成暗物质的粒子的证据。意大利格兰萨索国家实验室的 XENON1T（XENON100 的升级版，而 XENON100 本身又是 XENON10 的升级版）的初步结果也为阴性。日本的超级神冈探测器也没有看到质子衰变的任何信号，这将是基本力统一的证据，并为存在看不见的粒子的想法提供可信度。与此同时，位于日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机 (LHC) 的科学家一直在寻找具有暗物质正确特性的新型粒子，但没有发现任何迹象。除了预期的希格斯玻色子外，LHC 根本没有发现任何新粒子。
当然，这些负面结果并没有排除暗物质。粒子暗物质的理论变得越来越复杂，甚至可以说是牵强附会。为了避免与实验零结果发生冲突，理论家现在假设粒子与普通物质的相互作用比最初认为的还要少。一些研究人员已经开始推测新的力和其他粒子种类与最初的新粒子一起存在。这种看不见的粒子的扩散在文献中变得如此普遍，以至于它们被赋予了一个统称：“隐藏扇区”。
理论比较
在没有任何新粒子迹象的情况下，我们应该问问暗物质和修改后的引力理论分别在多大程度上解释了我们从自然界获得的证据。
在很大程度上，宇宙包含大约是普通物质五倍的暗物质的假设可以很好地解释我们周围的宇宙。尽管暗物质的微观特性可能很复杂，但它在体积上遵循简单的方程。我们可以将暗物质描述为像没有内部压力的流体一样运动，它的一个变量是空间中粒子的平均密度。
将暗物质视为无压流体足以重现我们在宇宙微波背景中观察到的模式。它在大型宇宙结构的形成方面也做得很好。随着早期宇宙膨胀和物质冷却，粒子暗物质由于无法建立内部压力，因此会比普通物质更快地在引力的作用下开始聚集。只有稍后，普通物质才会聚集在暗物质云中形成星系。这种情况与我们的一些观测结果非常吻合。
当我们把适量的粒子暗物质分布在需要的地方时，粒子暗物质可以解释星系内恒星的运动；星系团的工作方式也大致相同。由于理论家可以如此灵活地散布暗物质，他们可以使当前的所有观测结果都与广义相对论的预测相符。
但是粒子暗物质的这种灵活性也是它最大的缺点。星系不是粒子，而且没有两个星系是相同的。每个星系都有自己的历史；每个星系都是数十亿颗恒星在引力吸引下进行微妙舞蹈的结果。一些年轻的星系碰撞并形成更大的星系。有些则没有。一些星系最终变成旋转盘，一些则变成椭圆形的蓬松球。有时暗物质会在其引力拉力中捕获大量普通物质；有时则不会。由于这些许多变化，您会期望暗物质与普通物质的比率因星系而异。您会期望多样性，而不是严格的规则。但数据却不尽相同。
2016 年，麦高和他的同事对 150 多个星系进行了数千次测量，并将根据星系中的普通物质预期的引力与观测到的可能由暗物质和普通物质共同产生的引力进行了比较。他们的发现令人惊讶：两者之间存在很强的相关性。事实上，一个简单的方程将每个星系中明显的暗物质量与普通物质量联系起来；与曲线的偏差很小且很少[见下方方框]。
这种相关性很难通过将两种物质类型视为独立成分的计算机模拟来重现。科学家可以使模拟结果与数据相符，但他们必须插入许多必须仔细选择的参数。与此形成鲜明对比的是，修改后的引力只是预测了这种相关性。由于这种情况只涉及一种物质类型——普通物质——当然，总引力与可见物质引起的引力密切相关。米尔格龙甚至在 20 世纪 80 年代初就预测了这一观测结果。
不寻常的星系
暗物质假设还存在其他问题——例如，“低表面亮度星系”。在这些昏暗的星系中，可见物质的分布比银河系等星系更稀疏。
暗物质假设最初让我们期望，低表面亮度星系（即可见物质含量低的星系）通常也应该具有低含量的暗物质。科学家们假设，在这些星系中，在距星系中心较远距离轨道上运行的恒星的运动速度应该比相同大小的普通星系中的恒星慢，因为将恒星沿着其轨道拉动的总引力较小。但是，当数据出现时，这个期望被证明是错误的。这些不寻常星系中的外部恒星的运动速度与普通星系中的恒星一样快，这表明尽管恒星稀疏，但低表面亮度星系中实际上存在大量物质。事实证明，在这些天体中，暗物质与普通物质的比率必须比最初预期的要高得多。但这又是为什么呢？
最初，暗物质假设没有提供任何解释。但正如我们已经指出的，这是一个非常灵活的假设，因此当理论家寻求解释这种奇怪情况的方法时，他们找到了方法。
图片来源： Jen Christiansen；资料来源：Federico Lelli，欧洲南方天文台；“旋转支撑星系中的径向加速度关系”，作者：Stacy S. McGaugh、Federico Lelli 和 James M. Schombert，发表于物理评论快报，第 117 卷，第 20 期，文章编号：201101；2016 年 11 月 11 日
为了使研究结果与理论相符，科学家们不得不微调每个星系中暗物质的量，使其取决于恒星的表面亮度：系统越暗淡，暗物质越多。这样做需要某种机制来清除这些星系在形成过程中发光的物质，从而使物质比率向暗物质倾斜。目前最流行的方法是在计算机模拟中添加“恒星反馈”。恒星反馈是由大质量恒星用高能光子照射周围气体、吹强恒星风并最终爆发为超新星时产生的压力引起的。这些巨大的爆炸可以将物质吹出星系。并且由于暗物质的相互作用非常弱，因此这种喷发对普通物质的影响将大于对暗物质的影响。碰巧拥有许多超新星的星系最终将增加暗物质的比率。
但是，尽管我们知道恒星反馈在恒星和星团的形成中起着重要作用，但它在星系形成过程中的作用尚不清楚。为了解决低表面亮度星系的问题，超新星的能量必须几乎完全用于将物质推出星系。然而，如此高的效率对于自然发生的现象来说是惊人地难以置信的。另一方面，修改后的引力预测了观测结果，而无需涉及反馈，正如它预测了普通星系中观测到的恒星旋转速度一样。
更多问题
低表面亮度星系的问题远非粒子暗物质的唯一缺点。例如，该理论预测星系核心中的物质密度高度集中，这与我们测量的结果相反。它预测的小矮星系比我们观察到的要多得多，并且无法预测星系及其卫星星系沿单个平面排列的方式。这些只是最突出的分歧。修改后的引力在所有这些方面都做得更好。
尤其是星系核心中缺乏密度峰值与暗物质的故事非常不符，以至于当数据是新的时候，许多天体物理学家怀疑它们是否正确。首先，理论家断言测量的分辨率不足。当后续数据解决了分辨率问题时，他们又归咎于其他系统误差。但在多个小组进行了几代观测之后，结论仍然相同：暗物质在解释我们在星系中心看到的东西方面做得不好。
诚然，将恒星反馈和其他天体物理效应纳入计算机模拟可以缓解这些问题。由于这些额外的过程为模拟添加了更多参数，研究人员可以哄骗该软件生成与我们观察到的星系相当相似的星系。然后，这些模拟星系也可以重现观测到的粒子暗物质和普通物质之间的相关性。然而，计算机模拟没有提供对这种相关性起源的任何解释。
修改后的引力还有另一个优势。与暗物质模拟相比，修改后的引力可以解释小星系在被大型星系的引力场捕获时的行为。例如，它的计算在预测最近发现的一群矮星系如何围绕我们的大型邻近星系仙女座星系旋转方面取得了巨大的成功。这些微小的矮星系受到来自其巨型宿主星系的引力拉力，该引力强于其内部引力。在这种情况下，修改后的引力提供的预测与矮星系孤立时的情况不同，而正是这种独特的预测，我们在观测结果中找到了实现。然而，为了使数据的这方面与粒子暗物质相符，需要向计算机模拟添加更多假设。
但让我们公平地说：尽管修改后的引力取得了许多预测性的成功，但它也存在严重问题。尽管它适用于各种不同类型的星系，但它无法很好地解释星系团的运动。而对于整个宇宙的行为，修改后的引力却保持沉默。在这些情况下，粒子暗物质效果更好。它可以解释宇宙微波背景的特性以及星系在整个宇宙中的分布，而修改后的引力对此没有答案。然而，仅仅因为修改后的引力没有解决这些情况就将其抛弃，就错失了重点。该理论已经做出了成功的预测。即使我们不明白为什么，忽视它也无济于事。
向前迈进
目前，粒子暗物质和修改后的引力各有优缺点。最近的一些理论发展表明，也许真相介于两者之间：一种可以伪装成修改后的引力的粒子暗物质。
2015 年，宾夕法尼亚大学的贾斯汀·库里和他的同事发现，某些类型的粒子暗物质可以变成超流体——一种以零阻力流动的流体，其中量子效应占主导地位。当超流体暗物质聚集在星系中时，其量子特性可以产生类似于修改后的引力的长程力。超流体本身具有引力，但根据库里的假设，我们现在归因于暗物质的大部分效应并非来自引力，而是来自超流体与普通物质的直接相互作用。这种现象将解释为什么我们目睹的作用于星系中普通物质的力很难用引力来解释：它不是由引力引起的。
暗物质是一种模仿修改后的引力的超流体的想法也阐明了为什么修改后的引力在星系团中效果不佳。在大多数星系团中，引力不足以使粒子变成超流体。在这些情况下，它们的行为就像普通流体一样——也就是说，它们的行为就像粒子暗物质一样。
正如我们中的一位（霍森菲尔德）偶然注意到，超流体概念与阿姆斯特丹大学的埃里克·韦林德开创的另一条研究路线相符。韦林德使用弦论的思想来论证，宇宙包含比我们能看到的更多的物质的印象是一种错觉，是由空间对质量存在的反应引起的。尽管这种概念听起来与库里的超流体假设完全不同，但在两种情况下，关键方程几乎相同。
这条研究路线还很年轻，可能最终会走向死胡同。但这说明了更仔细地研究修改后的引力可能有助于克服当前暗物质搜索的停滞阶段。
很快就会有新的数据可供使用，这将有助于确定真相。传统的粒子暗物质、修改后的引力和超流体暗物质都对低表面亮度星系做出了不同的预测，这些预测可能在不久的将来得到检验。暗能量调查目前正在识别此类星系，而大型综合巡天望远镜今年上线后应该会发现数百个此类星系。这些理论在谈到早期宇宙（即第一批星系形成时）时也存在差异。这些星系应该可以通过詹姆斯·韦伯太空望远镜（计划于 2021 年发射）进行观测，而未来的长波无线电观测将探测更早时期的黑暗时代。
引力波天文学的出现也为我们提供了新的线索。激光干涉引力波天文台 (LIGO) 最近探测到由两颗中子星碰撞引起的引力波。与此同时，各种望远镜观察到同一事件发出的不同波长的光。这些观测结果以极高的精度表明，引力波的传播速度与光速相同。这一发现排除了一些（但肯定不是全部）修改后的引力变体。
目前，只有几十位科学家在研究修改后的引力，而有数千人在寻找粒子暗物质。也许修改后的引力是错误的，但也可能科学界没有尽最大努力来确定这一点。宇宙一直有让我们感到惊讶的习惯；我们应该准备好以开放的心态迎接未来数据揭示的一切。恒星可能仍然有秘密，但它们正受到密切监视。
碰撞提供线索
图片来源：NASA、CXC、CfA 和 M. Markevitch 等人（X 射线）；NASA、STScI、麦哲伦大学亚利桑那分校和 D. Clowe 等人（光学）；NASA、STScI、ESO WFI、麦哲伦大学亚利桑那分校和 D. Clowe 等人（透镜映射）
子弹星系团是一对很久以前碰撞在一起的星系团。这是一个罕见的高速正面碰撞实例。在可见光和 X 射线光（红色）下拍摄的图像，以及引力如何弯曲光（引力透镜）的测量结果（蓝色）表明，在每个星系团中，总质量和引力的中心都与可见质量的中心错位。
科学家们经常声称子弹星系团是粒子暗物质的证据。因为这种粒子的相互作用比普通物质少，所以碰撞会使星系团的暗物质云彼此穿过，而可见物质则与自身相互作用并滞后。这个故事与我们观察到的情况相符，但它被粗略地过度简化了。
在修改后的引力中，引力吸引力集中的点也可以与普通质量错位。这可能是因为所有力（包括引力）都被认为是由一种特殊类型的粒子传递的。这些粒子有自己的动力学定律要履行。当修改后的引力考虑到这些载体粒子可能产生的反响时，它也可以预测我们在子弹星系团中看到的情况。
更重要的是，这个星系团是一个极端事件，也是一个统计异常值。它的存在本身就很难用粒子暗物质和修改后的引力来解释。将其用作支持或反对任何一种方法的证据都是一种证实我们自身偏见的练习。