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星系中的恒星、气体和尘埃的速度随着与星系中心的距离而变化（即星系自转曲线），这是支持暗物质存在的一项证据。星系中的大多数可见物质都集中在星系的中心，所以我们期望更多中心恒星的运动速度应该要远远超过外部的恒星。因此，星系自转曲线应该随距离增加而递减。 然而，大多数星系的自转曲线相当平坦，这意味着外部恒星的运动速度和内部恒星一样快，所以需要有额外的引力场来匹配恒星速度。由此，这个观测结果和其他证据使我们发展出了暗物质的理论。然而，对星系自转曲线的新研究发现了一种很奇怪的相关性，而这可能意味着暗物质终究是错误的。
星系中的恒星轨道速度取决于这个星系质量的引力。星系被拉向星系中心的趋势越强，其径向加速度就越大，需要更快的速度来克服这种牵引力。这类似于我们太阳系中的行星。水星比较靠近太阳，由于太阳的引力作用，因此水星有着一个很大的径向加速度。而遥远的冥王星只有一个很小的径向加速度。所以，水星绕太阳公转的平均速度为48 km/s，地球为30 km/s，而冥王星不到5 km/s。根据暗物质模型，星系的质量并不是集中在其中心。大多数可见物质是集中于星系中心，但星系被暗物质晕包围着。暗物质占据了星系的大部分质量，而其中大部分都在暗物质晕中。 有很多其他证据能支持暗物质，但也有替代模型，例如修正牛顿引力理论（Modified Newtonian Dynamics，MoND）可以很好地符合星系自转曲线。在这个模型中，恒星的径向加速度略微偏离了牛顿物理学和广义相对论的预计值。MoND和相关理论能够准确地描述自转曲线，但是他们无法描述其他效应，如大规模的星系成团和碰撞星系的质量分布。因此，暗物质在天体物理学中是占主导的模型。然而，这项对恒星径向加速度的新研究有可能又让MoND焕发新生命。 研究人员分析了所观测到的153个星系的自转曲线，并计算了每个星系中不同距离的恒星径向加速度。然后，他们把这些结果与星系中可见物质的分布（学术上叫重子质量的分布）所预测的重力加速度相比较。他们发现，两者之间有着很强的相关性。当重力加速度较强时，径向加速度亦是如此；而当一个较弱的时候，另一个亦是如此。有趣的是，这种关系在一系列星系中都成立。无论大部分可见物质是否集中在星系中心，这种关系仍然存在。不过，这也是一种纯粹的经验关系式，所以背后没有强大的理论部分来支持。
那么，为何会如此？研究人员提出了三种可能性。首先，这种关联可能是由于星系形成的动力学。目前尚不清楚这是怎样发生的，但在星系演化方面还有我们不完全理解的地方。第二种可能性是暗物质和星系内的可见物质的分布是相关的。这将需要一些新型的暗物质物理学，来使暗物质与普通物质一样的方式聚集。第三种可能性也是最有趣的想法，这可能真是由于某种动力学的修正。 径向加速度和质量分布之间的相关性很强，这表明可见物质是这种加速度的来源。这样的关系是完全就是MoND模型的预测，而这与当前暗物质的模型相悖。如果这个结果具有重复性，那么暗物质模型需要做出一些合理的解释，才能继续占据主导理论的地位。但对MoND模型的挑战也是刚刚开始。想要最终获得成功，MoND模型需要解释好诸如大规模的星系成团和碰撞星系的质量分布等一些效应，而在这方面目前它表现得非常失败。 暗物质和MoND模型之间的角逐现在开始变得有趣些了。 |
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M33星系的自转曲线
天文学家认为星系被暗物质晕包围着
