暗物质是否存在，或者引力理论是错误的吗？答案就在数十亿年前
在遥远的宇宙（R）和现在（L）中旋转盘星系的示意图。
当我们观察宇宙中的发光天体时，如恒星、星系、星系团以及星系群和它们之间的热气体，它讲述了几个不同的故事。一个是正常物质（基于原子核和电子）如何结合在一起，发射、吸收或以其他方式与光相互作用的故事：这是我们看待宇宙不可或缺的一部分。但另一个故事是引力。通过观察这个天体相对于周围环境的变化，我们可以了解到很多关于宇宙中引力相互作用的情况。20世纪对天文学家来说，最大的惊喜之一是，如果你看看这些大型天体结构的引力效应，光靠正常物质并不足以解释它。
彗星星系的彗星，其星系移动得太快，不能通过重力来解释，只观察到质量。
如果测量大型星系团（如上图彗星星系团）中星系的单个速度，则可以推断必须存在多少质量才能防止星团分离。这个数字不仅比存在的恒星数量大50倍，而且大约是所有恒星、行星、气体、尘埃、等离子体和所有其他形式的正常物质加起来的六倍。这儿有两个简单的选择，来解释这一谜题：要么有一个新的、看不见的质量形式存在，如暗物质；或最大尺度上的引力定律偏离爱因斯坦的广义相对论的预测，出现了某种形式的修正引力。
当我们观察单个星系时，一个非常相似的效应出现了。如果你观察在星系中心附近恒星旋转的速度，你会发现它们与星系核心正常物质给出的速度是一致的。但当你向更远的地方移动时，如果正常物质对星系的引力负责，那么距离更远的恒星的速度不会像你预期的那样下降。在我们的太阳系中，水星比海王星运行得更快，因为太阳为我们提供引力场；在星系中，你期望质量会跟随恒星、气体、尘埃、等离子体和其他正常物质的位置的变化而变化，但事实并非如此。
原则上，同样的两种解释可以解释这种差异。如果宇宙中充满了暗物质，这是一种只与引力相互作用的物质，但光和正常物质都看不见，那么此时，额外的质量就会落入围绕每个星系的巨大、弥漫的光晕中。相反，宇宙遵循不同于广义相对论的引力定律，修正的引力定律应该以同样的方式影响星系——基于低于一定尺度的加速度——不管星系的大小如何。
尽管有人试图直接探测暗物质，也有人试图在较小的天体物理尺度上寻找不同的影响，从而揭示出与爱因斯坦广义相对论的偏差，但这两种努力都徒劳无功。然而，从纯粹天体物理学的角度来看，有一种很好的方式来区分这两个想法：看看数十亿年前星系的旋转曲线。
如果引力定律真的背离了爱因斯坦的相对论，那么它们应该在我们的宇宙历史中始终以一致的方式表现出这种偏离。今天的星系应该遵循三、五或百亿年前的星系相同的基本规律。另一方面，一个包含暗物质的宇宙应该表现出两种不同的进化效应：
恒星形成的强大爆发应该给正常的（但不是黑暗的）物质提供大量能量，特别是在更小、更低质量的星系中，驱除一些正常物质（但保持所有暗物质）。较年轻的星系应该有更少的暗物质落入其中，如果它们的早期旋转被我们观察到，那么暗物质的密度应该更低。其中第一个效应已经注意到很多年了：矮星系被暗物质所支配，其程度甚至比大型的螺旋星系还要大。不幸的是，光靠这种效应还不足以区分暗物质和修正引力，因为同样的加速度定律也描述了这些系统。但是，技术和方法终于发展到可以开始测量遥远、年轻的星系的自转曲线。对于年轻的星系，我们预计这些星系发光部分的暗物质会更少，这意味着我们期望离星系外围更近的恒星比现代星系的恒星旋转得更慢。
在《自然》杂志发表的一篇新论文中，主要作者莱因哈德·根泽尔声称已经发现了这一点。根泽尔通过研究六个独立明亮的星系，他发现了这种效应：更遥远的星系在外围的旋转速度比在中心慢，看来暗物质取得了重大胜利！
暗物质是存在的，但不是如根泽尔声称的那样。如果你细看根泽尔声称的六个星系曲线，它们并没有显示出支持这一想法的实质性效果。正如斯泰西·麦戈（Stacy McGaugh）所指出的那样，旋转曲线与平面是完全一致的，更重要的是，与地表的亮度相关，就像当地的星系一样。
然而，另一个研究团队也使用同样的技术，不只是对六个星系进行研究，他们总共研究了101个星系。当他们使用称为“叠加”的技术时，他们先校准每个星系，以检验它们的总体平均属性。他们发现，事实上，当远离这些星系的中心时，在旋转速度上有一个急剧的下降。
值得注意的是，这是一个强有力的证据，指向暗物质而不是修正引力！正如菲利普·朗和他的合著者在一篇提交给《天体物理学杂志》的论文中所写的：
“我们的叠加旋转曲线显示出超过旋转半径的天体的旋转速度，下降到最大归一化速度Vmax的62%，确认了作为我们High-Z 盘星系样本的代表性特征的下降。在我们的叠加旋转曲线中，你所看到的速度下降，明显偏离了在 大于3σ显著性水平下相同质量的局部螺旋的平均旋转曲线。“
从他们试图将各种暗物质（而不是暗物质）模型与这些数据相匹配的过程中可以看出，仍然有很好的证据证明暗物质存在，它只是处于星系演化的不同阶段。
如果这个结果能支持越来越多的数据，这将为我们提供一个了解星系演化的窗口，最终使我们能够以一种清晰而稳健的方式，区分暗物质和修正引力。这些类型的观测，用来测量几十亿光年之外的星系的旋转曲线，将成为21世纪20年代新望远镜的首要科学目标，如欧洲极大望远镜（E-ELT）和广域红外勘测望远镜（WFIRST）。
双方将继续为数据的解释而争论，但最终，全部的数据将揭示自然真实行为。爱因斯坦相对论会被取代吗？暗物质真的存在吗？再过十年，答案可能会最终揭晓。