二十年前，“子弹星系团”的观测通过对比普通物质（以X射线形式发光的热气体）和总质量（通过引力透镜测量）的分布，发现两者存在明显错位。这一结果强有力地支持了暗物质的存在，因为它像星系一样几乎无阻碍地穿过碰撞区域，而普通气体则在碰撞中减速并滞后。尽管修改引力理论曾提出多种解释，例如声称碰撞速度过快等，但后续对更多碰撞星系团的研究，特别是将星系团周围介质纳入考量后，已经解决了这些矛盾。至今，暗物质仍然是解释从星系到宇宙大尺度结构最统一、最可靠的理论。
两种解释，一场碰撞
在子弹星系团被观测到之前，宇宙中缺失质量的现象主要有两种解释：
- 修改引力理论： 认为我们现有的引力定律在宇宙大尺度上不正确，需要修正。
- 暗物质假说： 认为宇宙中存在一种我们无法直接探测到，但会产生引力的“缺失成分”。
暗物质假说一开始更受青睐，因为它只需要增加一种成分就能解释各种尺度上的观测现象。而验证这两种理论的关键，就在于观测星系团的碰撞。
碰撞中会发生什么？
当两个星系团高速碰撞时，它们内部的不同成分会有不同的表现：
- 星系： 由于星系间空间巨大，单个星系会像鸟枪的弹丸一样，基本上直接穿过对方，几乎不受影响。
- 气体和等离子体： 这是星系团中普通物质的主要形式。它们在碰撞中会相互作用、减速、被加热，并因此发出强烈的 X射线。这些气体通常会滞留在两个星系团碰撞的中心区域。
- 暗物质： 如果存在，它应该像星系一样，不受阻碍地穿过碰撞区域。
因此，通过对比引力透镜测得的总质量中心和X射线测得的普通物质中心，我们就能做出判断。如果质量中心与X射线气体的位置重合，说明修改引力理论可能是对的。如果质量中心跟随星系移动，而与X射线气体分离，那就证明了暗物质的存在。
“子弹星系团”的决定性证据
观测结果清晰地表明：
引力透镜效应（蓝色区域）显示，大部分质量的中心与星系的位置重合，而普通物质的主要部分——发出X射线的热气体（粉色区域）——则明显滞后在碰撞中心。
这个质量中心与普通物质中心的分离，为暗物质的存在提供了直接且强有力的经验证据。对于许多天文学家来说，这几乎给修改引力理论判了“死刑”。
修改引力理论的反驳与局限
尽管证据确凿，支持修改引力理论的学者们仍提出了一些反驳意见，但这些意见大多在后续研究中被证明存在问题。
- 非局域引力： 有理论提出，引力的效应可能出现在质量不存在的地方。但这个理论无法解释为什么在尚未发生碰撞的星系团中，引力效应和物质位置是完全重合的。
- 外部场效应： 这种观点试图用星系团外部的引力场来解释观测结果。然而，后来发现的“超弥散矮星系”几乎不含暗物质，其行为也不符合外部场效应的预测，证明了该效应并非普适规律。
- QUMOND理论： 这是MOND理论的一个延伸，认为只有像星系这样的“点状”质量才会产生我们观测到的引力透镜信号，而弥散的气体则不起作用。虽然这个理论很难被完全排除，但它能否像暗物质模型一样，同时解释安静、孤立星系团的引力透镜信号，还有待研究。
最大的争议：碰撞速度太快？
反对暗物质解释最常见的论点是，要产生“子弹星系团”观测到的X射线激波，两个星系团的碰撞速度必须达到惊人的 5400公里/秒。这个速度远高于标准暗物质宇宙学模型所预测的上限（约4000公里/秒）。
这是一个严肃的挑战，并在很长一段时间里困扰着天文学家。
新发现解决了速度难题
直到最近，天文学家通过观测一个几乎是迎面碰撞的星系团（MACS J0018.5），才找到了答案。这个新系统的观测让我们能够更直接地推断碰撞速度。
结论非常关键：要产生类似的激波，实际所需的速度远低于之前的估计，大约在 1700至3000公里/秒 之间。
速度估算出现巨大差异的原因在于，早期的模型忽略了星系团周围介质（circumcluster medium）的影响。
这些环绕在星系团外部的物质会首先碰撞，并对内部气体产生推挤和加热，从而在更低的碰撞速度下形成观测到的激波。将这个因素考虑进去后，子弹星系团的碰撞速度被修正为 3000多公里/秒，完全符合暗物质模型的预测。
结论：暗物质依然是最佳解释
二十年过去了，“子弹星系团”以及后续发现的众多碰撞星系团，成为了检验引力理论的绝佳天然实验室。
- 暗物质假说与所有观测数据高度吻合。
- 针对暗物质解释的主要反驳意见，尤其是“速度过快”的问题，已经被新的观测和更完善的模型成功解决。
- 修改引力理论在解释这些碰撞系统时遇到了巨大困难。
尽管探索替代理论很有趣，但现有数据一致表明，暗物质是解释我们宇宙从星系到最大尺度结构的最佳方案。