暗物质，这个宇宙中的神秘成分，长久以来一直是物理学家和天文学家研究的重点。它不可见，不与电磁力相互作用，因此无法直接观测到。然而，它的存在却能通过引力影响星系的旋转和宇宙的大尺度结构。暗物质是宇宙学中的一个核心概念，它是构成宇宙约27%的不发光物质。然而，尽管进行了多年的研究和实验，暗物质的直接证据仍然没有被发现，这使得一些科学家开始探索替代的解释。
随着科学的发展，一些研究开始挑战暗物质存在的必要性，提出了新的宇宙学模型。在传统的ΛCDM模型中，暗物质被视为解释星系旋转曲线异常的关键因素。但是，MOND（Modified Newtonian Dynamics）理论提出了一种不同的解释。它认为，在星系尺度上，牛顿引力定律需要进行修正，而不是假设存在暗物质。MOND理论能够解释星系旋转曲线的特性，并成功预测了重子塔利-费希尔关系（baryonic Tully-Fisher relation，BTFR），这是ΛCDM模型难以做到的。
最近，MOND理论得到了进一步的发展。RMOND理论在MOND的基础上，引入了一个额外的场，使其成为相对论版本。这一改进使得RMOND理论能够无需暗物质，同时完美预言宇宙微波背景辐射（CMB）的细节。这一点是MOND理论之前的短板，因为CMB是现代天文学中最重要的发现之一，是大爆炸理论的关键证据。
2024年3月15日，《天体物理学报》发表了一项新的科研进展。University of Ottawa的Rajendra P. Gupta提出了CCC+TL宇宙学模型，该模型通过拟合宇宙早期的重子声学振荡（BAO）参数，解释了宇宙的加速膨胀，而无需暗物质的存在。通过调整耦合常数α，这个模型同样能够精准地拟合Ia型超新星的数据，解释了詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）对早期宇宙“宇宙黎明”时期星系的观察，以及符合Planck卫星的关于宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background, CMB）中的相关观测。
CCC+TL模型的核心思想是宇宙学常数被一个变化的参数α所取代（covarying coupling constants’(CCC) parameter α)。这个理论修改了我们普通的FRW度规，而使用了如下的度规
其中的f(t)给出了α的定义
疲劳光（TL）理论描述了光随着传播距离增加会逐渐失去能量。这一模型预言的宇宙年龄为267亿年，与普遍认为的138亿年存在差异。尽管如此，CCC+TL模型为我们提供了一种不依赖暗物质的新解释可能性。这意味着，星系和恒星的形成时间线被拉长，而不是像ΛCDM模型那样被压缩。这样的时间线调整使得宇宙中的结构可以在没有暗物质的情况下形成。
用CCC+TL模型给出的BAO的绝对标度在不同红移的预测
尽管CCC+TL模型提供了一个没有暗物质的宇宙学框架，但它仍然面临着许多挑战。例如，模型需要通过更多的观测数据进行验证，包括与宇宙微波背景辐射功率谱、大爆炸核合成以及球状星团年龄的一致性。此外，CCC+TL模型在技术复杂性和计算资源需求方面也比ΛCDM模型更为复杂。
尽管新的理论和模型提出了对暗物质存在的挑战，但科学探索是一个不断进步的过程。目前，这些新模型还面临着许多需要解决的问题，例如如何完美预言星系团的运动等。此外，新模型的复杂性也要求科学家们在应用时保持谨慎的态度。科学的发展总是充满惊喜和挑战。随着实验技术的不断进步和新观测数据的获取，我们对宇宙的理解将会越来越深入。无论是暗物质的存在与否，或是新的宇宙学模型的验证，都将为我们揭示宇宙的更多奥秘。让我们拭目以待，看看这些新的理论和模型能否引领我们进入一个新的物理学黄金时代。
参考文献
[1] Rajendra P. Gupta 2024 ApJ 964 55
石头
DR.STONE
工作室
科普
撰稿：周思益
美编：刘俞伶
DR.STONE · 致力于地球和空间科学科普
