天文学中的“失踪质量问题”与修正引力定律的必要性

自20世纪30年代以来，天文观测不断积累证据表明，我们对星系和星系群动力学的理解极不完整：假设牛顿引力定律在天文尺度上有效，恒星系统（由恒星和星际气体组成）的观测质量仅能提供约10%的动力学（引力）质量，以解释这些系统中恒星的高速运动。处理这一“失踪质量问题”的标准方法是假设存在“暗物质”，即一种额外的、电磁上不可见的物质成分，用以提供缺失的质量。然而，至今尚未找到暗物质的直接观测证据。更重要的是，过去十年获得的天文观测表明，暗物质无法解释星系的运动学。多项观测显示，观测质量与动力学质量之间的差异是引力加速度（或场强）的函数，而与星系的其他参数（大小、旋转速度等）无关；这种质量差异出现在一个特征性的、普适的加速度（“米尔格罗姆常数”）以下。因此，修正引力定律的想法，特别是修正牛顿动力学（MOND）的设想，在天体物理学中正变得日益重要。MOND已成功预测了星系动力学的各种重要经验关系，包括著名的塔利-费舍尔关系和费伯-杰克逊关系。研究发现，MOND与从双星到星系团的恒星动力学均一致，从而涵盖了大小跨越八个数量级、质量跨越十四个数量级的恒星系统。这些进展有可能引发从暗物质到修正引力定律的范式转变，将其作为失踪质量问题背后的物理机制。