暗物质还是修正牛顿动力学？星系旋转曲线的贝叶斯解读

我们目前有两种不同的假设来解决缺失质量问题：暗物质和修正牛顿动力学。在一篇新的论文中，研究人员使用贝叶斯推断应用于星系的旋转曲线，来看看哪种假设更好。

万有引力定律告诉我们，两个物体之间的引力与他们的质量乘积成正比，与他们的距离平方成反比。牛顿第二定律告诉我们，物体的加速度和作用在它上面的力成正比。

现在，假设我们有一个由许多恒星和气体组成的星系，它的总质量为 M，它的半径为R。我们想要知道，一个沿着圆形轨道绕着星系中心旋转的恒星的速度是多少。我们可以用牛顿力学来计算这个速度，方法是把星系看成一个均匀的球体，然后用万有引力定律和牛顿第二定律来求解。

我们得到的结果是，恒星的速度只和星系的总质量和半径有关，而和恒星的质量无关。这里还有一个有趣的推论，就是恒星的速度随着它的轨道半径的增加而减小，因为星系的总质量是一个常数，而半径是一个变量。这就是我们从牛顿力学预期的结果，也是我们的直觉告诉我们的结果。

但是，当我们用望远镜观测真实的星系时，我们发现了一个惊人的事实：星系的旋转速度并不随着半径的增加而减小，而是保持一个大致恒定的值，甚至有时候还会稍微增加一点。这就是所谓的“平坦的旋转曲线”现象，它和牛顿力学的预测完全不符。这个现象在很多不同类型的星系中都被观测到，包括我们所在的银河系。这是一个非常重要的发现，因为它意味着我们对物理学的基本假设有一些错误，或者说不完整。