[论文解读] The MOND paradigm

Mordehai Milgrom|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 17被引用 47

一句话总结

本文回顾了修正牛顿动力学（MOND）范式，提出星系运动由类似于开普勒定律的经验定律支配，且在低加速度下引力发生修正。该文认为，MOND的成功意味着仅由重子物质即可决定星系动力学——这挑战了暗物质范式，因为后者难以解释为何在主导的暗物质成分存在下，仅由重子物质就能如此主导星系动力学。

ABSTRACT

I review briefly different aspects of the MOND paradigm, with emphasis on phenomenology, epitomized here by many MOND laws of galactic motion--analogous to Kepler's laws of planetary motion. I then comment on the possible roots of MOND in cosmology, possibly the deepest and most far reaching aspect of MOND. This is followed by a succinct account of existing underlying theories. I also reflect on the implications of MOND's successes for the dark matter (DM) paradigm: MOND predictions imply that baryons alone accurately determine the full field of each and every individual galactic object. This conflicts with the expectations in the DM paradigm because of the haphazard formation and evolution of galactic objects and the very different influences that baryons and DM are subject to during the evolution, as evidenced, e.g., by the very small baryon-to-DM fraction in galaxies (compared with the cosmic value). All this should disabuse DM advocates of the thought that DM will someday be able to reproduce MOND: It is inconceivable that the modicum of baryons left over in galaxies can be made to determine everything if a much heavier DM component is present.

研究动机与目标

• 呈现描述星系运动的MOND现象学定律，这些定律类似于开普勒定律。
• 探讨MOND可能的宇宙学根源，暗示其与宇宙大尺度结构之间存在深层联系。
• 检验支撑MOND的现有理论框架，评估其可行性。
• 通过强调若暗物质占主导地位，则仅由重子物质决定星系动力学在逻辑上极不可能，从而挑战暗物质范式。

提出的方法

• 回顾由MOND推导出的星系运动经验定律，例如Tully-Fisher关系和径向加速度关系。
• 分析MOND的理论基础，包括其在低加速度下对牛顿动力学的修正。
• 探讨MOND的宇宙学含义，特别是其与宇宙加速膨胀及大尺度结构的潜在联系。
• 将MOND的预测与暗物质范式的预期进行比较，尤其关注重子物质与暗物质的比例。
• 运用逻辑与理论论证，评估暗物质模型是否能再现MOND的成功。

实验结果

研究问题

• RQ1 MOND的星系运动定律在预测能力和普适性方面，与开普勒定律相比如何？
• RQ2 哪些宇宙学原理可能构成MOND范式的根基，并解释其经验成功？
• RQ3 现有的MOND理论模型能否解释其在各类星系系统中现象学成功的普遍性？
• RQ4 为何若暗物质占主导地位，则仅由重子物质决定星系动力学的假设极不可能成立？
• RQ5 MOND的成功对重子物质与暗物质在塑造星系引力场中所起作用意味着什么？

主要发现

• MOND仅通过重子物质即可成功预测星系动力学，无需引入暗物质。
• 星系中的径向加速度关系与Tully-Fisher关系可由MOND的经验定律自然解释。
• MOND的成功意味着仅由重子物质即可决定每个星系的完整引力场，这与暗物质范式所预期的相矛盾。
• 星系中重子物质与暗物质的比值极小，使得若暗物质占主导地位，则仅由重子物质决定动力学的假设极不可能成立。
• 若暗物质成分的质量远大于重子物质，却仍需再现MOND的预测，这是难以想象的，因为观测显示重子物质在决定星系引力场方面占据主导地位。