暗物质是一种假设的物质形式，它是由引力效应隐含的，除非宇宙中存在比可见更多的物质，否则不能用广义相对论来解释。1932年，荷兰天文学家简·奥尔特首次提出了所谓的“缺失质量”，以解释星系等天体聚集在一起所必需的“缺失质量”，几乎和近一个世纪前一样神秘。
现在，亨茨维尔阿拉巴马大学(UAH)的Richard Lieu博士在《皇家天文学会月报》上发表了一篇论文，首次展示了引力如何在没有质量的情况下存在，这提供了一个替代理论，可能会减轻对暗物质的需求。
“我自己的灵感来自于我对广义相对论引力场方程的另一种解的追求——它的简化版本，适用于星系和星系团的条件，被称为泊松方程——它在没有任何可探测质量的情况下给出了有限的引力，”Lieu说，他是阿拉巴马大学系统的一部分UAH的杰出物理学和天文学教授。
“这一倡议反过来又受到我对现状的失望的推动，即暗物质存在的概念，尽管整个世纪都缺乏任何直接证据。”
研究人员认为，将星系或星团结合在一起所必需的“过量”引力可能是由于在整个宇宙中普遍存在的结构中同心的贝壳状拓扑缺陷集，这些结构很可能是在早期宇宙发生相变时产生的。宇宙相变是一种物理过程，在整个宇宙中物质的整体状态一起改变。
“目前还不清楚宇宙中什么样的相变形式会导致这种拓扑缺陷，”Lieu说。
“拓扑效应是非常紧凑的空间区域，具有非常高的物质密度，通常以称为宇宙弦的线性结构的形式存在，尽管二维结构(如球壳)也是可能的。
“在我的论文中，壳由一个薄的正质量内层和一个薄的负质量外层组成;这两层的总质量——也就是我们所能测量的质量——正好是零，但是当一颗恒星位于这个壳层上时，它会受到一个巨大的引力，把它拉向壳层的中心。”
由于引力从根本上涉及时空本身的扭曲，它使所有物体相互作用，无论它们是否有质量。例如，无质量光子已被证实会受到天体的引力效应。
“由一组同心单壳组成的星系或星系团的光的引力弯曲是由于光线在穿过一个壳时轻微向内偏转，也就是说，朝向大尺度结构的中心，或一组壳，”Lieu指出。
“通过许多壳层的总效应是一个有限的和可测量的总偏转，它模仿了大量暗物质的存在，就像恒星轨道的速度一样。
“光的偏转和恒星轨道速度都是衡量一个大尺度结构中引力场强度的唯一手段，无论是星系还是星系团。我论文的论点是，至少它所假定的壳层是无质量的。那么就没有必要继续进行这种看似无休止的暗物质搜索了。”
未来研究的问题可能集中在星系或星系团是如何通过这些壳的排列形成的，以及结构的演变是如何发生的。
“本文并不试图解决结构形成的问题。一个有争议的观点是，这些壳最初是平面还是直弦，但角动量使它们缠绕起来。还有一个问题是如何通过专门的观察来证实或驳斥所提议的炮弹。当然，第二个解决方案的可用性，即使它很有启发意义，本身也不足以质疑暗物质假说——它充其量只能是一个有趣的数学练习，”Lieu总结道。
“但这是证明引力可以在没有质量的情况下存在的第一个证据。”
