Кратко и аргументированно.
1) Стандартная картина (ΛCDM), откуда берётся крупномасштабная структура
- Начальное состояние: инфляция порождает квантовые флуктуации, дающие почти-гауссовское начальное спектральное распределение плотностных возмущений с индексом $n_s\approx 0.965$. Примordial power spectrum примерно \(\;P_{\rm prim}(k)\propto k^{n_s}\.\)
- Эволюция линейных возмущений: для контрастной величины $\delta =\delta \rho /\rho$ в эпохе, когда доминирует вещество, линейный рост подчиняется уравнению
$$\ddot{\delta }+2H\dot{\delta }-4\pi G\rho \delta =0,$$ где $H(t)$ — параметр Хаббла, $\rho$ — средняя плотность. Невзаимодействующая (collisionless), холодная (non‑relativistic) тёмная материя (CDM) позволяет возмущениям расти уже до рекомбинации и служит «каркасом» для последующего притягивания барионов.
- Передаточная функция и акустические отпечатки: взаимодействие фотонов и барионов в ранней Вселенной даёт бараионные акустические осцилляции (BAO) — видимый масштаб в корреляциях галактик. Полный современный спектр плотности:
$$P(k)=P_{\mathrm{prim}}(k)T^2(k)D^2(z),$$ где $T(k)$ — transfer function, $D(z)$ — фактор роста.
- Нелинейная эволюция: на малых масштабах гравитационная неустойчивость переходит в нестационарную стадию; образуются галактики, кластеры; моделируется N‑body симуляциями с учётом гидродинамики для барионов.
2) Роль тёмной материи и тёмной энергии
- Тёмная материя (DM): объясняет формирование структур и профиль гравитационных потенциалов, согласуется с CMB, линейным спектром и динамикой галактик. Классы кандидатов: холодная частица (WIMP), аксионы/ultra‑light (fuzzy DM), тёплая DM (sterile neutrino), самовзаимодействующая DM (SIDM), примордиальные чёрные дыры (PBH). Каждый класс имеет характерное воздействие на малые масштабы (сглаживание/ядро/сателлиты).
- Тёмная энергия (DE): в ΛCDM моделируется как космологическая постоянная $\Lambda$ в уравнениях Фридмана:
$$H^2=\frac{8\pi G}{3}\rho +\frac{\Lambda }{3}-\frac{k}{a^2}.$$ Она вызывает ускоренное расширение (давление $p\approx -\rho$). Альтернативы: динамическое скалярное поле (quintessence), модификации гравитации.
3) Современные парадоксы и несоответствия
- Проблема космологической постоянной (vacuum energy): оценка вклада нулевой точки квантовых полей даёт энерго-плотность порядка $M_{\mathrm{Pl}}^4$ ($M_{\mathrm{Pl}}\sim 10^{19}\mathrm{GeV}$), тогда как наблюдаемая плотность тёмной энергии
$${\rho }_{\Lambda }^{\mathrm{obs}}\sim (2\times 10^{-3}\mathrm{eV}{)}^4.$$ Несоответствие — порядка $10^{120}$ в энергетической плотности: фундаментальная проблема тонкой настройки.
- H0‑тенсия: локальные измерения (например, цефеиды/SNe Ia) дают $H_0\approx 73\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$, в то время как CMB‑входящие значения из Planck в рамках ΛCDM — $H_0\approx 67.4\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$. Различие значимо (>4σ) и может указывать либо на систематические ошибки, либо на новую физику.
- Напряжение S8 (рост структур): слабая линзировка и некоторые LSS‑опросы дают значение параметра S8 немного ниже, чем предсказывает Planck ΛCDM; это касается скорости роста структур и может сигнализировать о модификациях гравитации или интеракциях в тёмном секторе.
- Малые‑масштабные «кризисы» ΛCDM: «missing satellites», «cusp‑core», «too‑big‑to‑fail» — частично решаются барионной физикой (feedback), частично мотивируют альтернативы DM.
4) Основные альтернативы и их аргументы
- Динамическая DE / quintessence: скалярное поле с $w(z)>-1$. Может ослабить fine‑tuning, но требует механизм стабилизации и обычно не решает проблему величины вакуума.
- Early Dark Energy (EDE): небольшая доля энергии до рекомбинации сокращает звуковой горизонт $r_s$ и повышает оценочный $H_0$ из CMB; помогает H0‑тензии, но может ухудшать согласие с LSS и Planck‑спектром.
- Взаимодействующий тёмный сектор (DM–DE coupling): перенос энергии/импульса между DM и DE может изменить рост структур и $H_0$; гибкие, но параметрически подогнаны.
- Модификации гравитации: $f(R)$, scalar‑tensor, massive gravity, MOND/TeVeS. Могут объяснить ускорение без Λ, менять рост структур; жёстко ограничены CMB, BAO, локальными тестами гравитации.
- Альтернативы DM:
- Fuzzy/ultra‑light axions ($m\sim 10^{-22}$ eV) дают квантовый градиентный эффект, размывают центры галактик.
- Warm DM (keV‑стерильные нейтрино) подавляет малые масштабы.
- SIDM решает cusp‑core через теплообмен в гало.
- PBH — частично ограничены микролинзингом и CMB.
Каждая альтернатива имеет чёткие предсказания по малым масштабам, фазовому пространству и сигналам прямого обнаружения/аксиона.
5) Как отличить варианты наблюдениями (критерии проверки)
- Точная карта роста структур (DESI, Euclid, Rubin) — чувствительна к скорости роста $f{\sigma }_8$ и может отличить модифицированную гравитацию/интеракции.
- CMB‑поляризация и маломасштабные анизотропии (CMB‑S4) — тестируют EDE и раннюю физику.
- 21‑cm (реион и тёмная эпоха тёмных веков) — чувствителен к малой‑масштабной структуре и природе DM.
- Прямые поиски: детекторы WIMP, аксионные галоcкопы, лабораторные эксперименты, астрономические лимиты на PBH.
- Локальные и независимые измерения $H_0$ (гравитационные волны «стандартные сирены», разное расстояние‑ступенчатые методы).
6) Обобщённый вывод
- Лучшее текущие объяснение происхождения крупномасштабной структуры: квантовые флуктуации при инфляции + холодная тёмная материя + акселерация, моделируемая Λ; эта схема успешно воспроизводит CMB, BAO, large‑scale clustering и структуру Вселенной.
- Однако фундаментальные проблемы (вакуумная энергия, H0‑тенсия, расхождения в росте структур и некоторые малые‑масштабные явления) заставляют рассматривать модификации: EDE, интеракции в тёмном секторе, разные модели DM и модифицированную гравитацию. Ни одна альтернатива пока не дала однозначно лучшего глобального соответствия всем наблюдениям.
- Дальнейшие точные наблюдения и лабораторные эксперименты в ближайшие годы должны либо подтвердить ΛCDM с малыми корректировками, либо выявить новые физические процессы в ранней Вселенной или тёмном секторе.
Если нужно, могу коротко свести сравнительную таблицу альтернатив (ключевые предсказания и ограничения) или дать список наблюдений, наиболее критичных для проверки каждой конкретной модели.