Кратко, с объяснениями и формулами.
Сильные и слабые стороны
1) Тёмная материя (частицы WIMP / ультралёгкие аксионы ULA)
- Сильные стороны:
- Последовательно объясняет плоские кривые, профиль вращения и динамику галактик через дополнительную невидимую массу; в галактических моделях можно подобрать распределение ${\rho }_{\mathrm{DM}}(r)$.
- Успешно воспроизводит крупномасштабную структуру Вселенной и ангулярные спектры CMB (через влияние DM на рост возмущений).
- Простое объяснение расхождения между центром гравитационной массы и газом в столкновениях скоплений (Bullet Cluster): центры линзирования следуют за DM, а не за обычной материей.
- Конкретные модельные предсказания: масса частиц, сечение рассеяния, масштаб подавления структуры (для ULA — масса $m$ задаёт масштаб-фильтрование).
- Слабые стороны:
- Отсутствие подтверждённой детектии частиц (границы по взаимодействию с нуклонами/электронами становятся всё жестче).
- Мелкомасштабные несоответствия: «core–cusp», «too-big-to-fail», потребность в сложной астрофизике (feedback) чтобы согласовать предсказания N‑body с наблюдениями карликов.
- Для ULA (очень лёгкие аксионы) требуется специфичная масса (например $m\sim 10^{-22}$ эВ) для кильпарсековых ядер — это даёт характерный фильтр шкал, который нужно проверять наблюдениями малых масштабов.
2) Модифицированные теории гравитации (MOND, TeVeS и пр.)
- Сильные стороны:
- Простое, экономичное объяснение плоских кривых: в MOND сверхмалые ускорения $a\ll a_0$ приводят к динамике $a\approx \sqrt{a_0{a}_N}$, что даёт плоские кривые и тесные соотношения типа бTFR.
- Хорошо предсказывает поведение многих спиральных галактик и некоторые особенности карликов без тёмной массы.
- Слабые стороны:
- Неочевидная согласованность с CMB и крупномасштабной структурой без введения дополнительной компонент (в TeVeS/вариантах вводят дополнительные поля или массивные нейтрино).
- Трудности с объяснением явлений типа Bullet Cluster: простая MOND не даёт смещения центров масс, поэтому нужны дополнительные невидимые компоненты.
- Нужна релятивистская теория (TeVeS и др.), но такие расширения часто имеют проблемные предсказания в космологической и линзирующей областях.
- Специфический эффект — внешний полевой эффект (EFE): внутренняя динамика системы зависит от внешнего гравитационного поля — это необычно и ещё спорно подтверждается.
Ключевые числовые ориентиры
- MOND-порог: $a_0\approx 1.2\times 10^{-10}\mathrm{m}{\mathrm{s}}^{-2}$.
- В глубоком MOND для изолированного (сферически симметричного) тела скорость в плоской части: $v_{\infty }\approx (GM{a}_0{)}^{1/4}$ (независит от радиуса).
Предложение наблюдательного теста, однозначно различающего гипотезы
Требование: тест должен различать изменённую динамику (зависящую от локального/внешнего ускорения) и наличие дополнительной невидимой массы, которая ведёт себя как дополнительный потенциал и не даёт эффектов типа EFE.
Рекомендуемый тест: ансамблевое наблюдение широких двойных звёзд в Солнечной окрестности и в областях с разным внешним полем (GAIA + последующие спектроскопические наблюдения).
Почему этот тест решающий:
- В MOND в глубоком-горизонтальном режиме (внутреннее ускорение $a_{\mathrm{int}}\ll a_0$) орбитальная скорость двойной системы предсказывается как
$$v_{\mathrm{MOND}}\sim (GM{a}_0{)}^{1/4},$$ то есть почти не зависит от разнесения $s$ (пока система в глубоком MOND). В классическом (Ньютон+DM на звёздных орбитах в Солнечной окрестности дополнительной DM-плотности на таких малых масштабах практически нет) скорость будет ньютоновской:
$$v_{\mathrm{Newt}}\sim \sqrt{\frac{GM}{s}}.$$ Отношение
$$\frac{v_{\mathrm{MOND}}}{v_{\mathrm{Newt}}}\sim {\left(\frac{a_{0}s}{GM}\right)}^{1/4}$$ растёт с расстоянием $s$. Для типовичных масс звезд $M\sim 1M_{\odot }$ и $s\sim 10^4$ AU это отличие становится статистически измеримым.
- MOND дополнительно предсказывает внешний полевой эффект: скорость и орбита двойных зависят от локального внешнего ускорения $a_{\mathrm{ext}}$ (двойные в областях с малым $a_{\mathrm{ext}}$ будут проявлять MOND-эффект сильнее). В Ньютоновской+DM картине внутренние орбиты не зависят от внешнего поля (по принципу суперпозиции).
- Наблюдаемая стратегия: подобрать множество широких бинаров в регионах с разными значениями $a_{\mathrm{ext}}$ (внутри/вне галактической плоскости; разные галактические радиусы), измерить орбитальные скорости/профили скоростной дисперсии и сравнить с предсказаниями MOND и Ньютоновой механики. GAIA уже даёт каталоги широких бинаров; дополнительная точность радиальных скоростей и длительная база наблюдений даст кинематические кривые.
Преимущества теста:
- Тест локален и не зависит от сложной астрофизики формирования галактик.
- MOND делает чёткие количественные предсказания (включая EFE); Ньютон+DM не предсказывает EFE и даёт сконкретизированные зависимости $v\propto s^{-1/2}$.
- Наблюдаемое отличие — систематическое отклонение скоростей при больших $s$ и/или зависимость от $a_{\mathrm{ext}}$ — однозначно дискриминирует варианты.
Дополнительные комплементарные тесты (подтверждающие/усиливающие вывод):
- Скопления и столкновения скоплений (точные картировки слабого линзирования + распределение горячего газа): покажут, следует ли центрам линзирования дополнительная масса, не совпадающая с обычной материей.
- Маломасштабная структура (спектр возмущений Lyman-α, число сателлитов): ULA и WIMP дают разные предсказания по подавлению малыx шкал.
- Прямой поиск частиц (лабораторные/инструментальные детекторы): обнаружение WIMP/аксика бы окончательно подтвердило DM.
Вывод (сжатый)
- DM лучше согласуется с космологией и столкновениями скоплений; MOND прекрасно описывает вращение галактик и некоторые карлики, но испытывает трудности на космологических масштабах и требует дополнительных компонент в релятивистских расширениях.
- Практически однозначный астрономический тест в обозримом будущем — статистика широких бинаров (GAIA + последующие наблюдения) с учётом внешнего полевого эффекта: обнаружение EFE‑типа зависимости — сильное подтверждение MOND; её отсутствие (и подтверждение ньютоновой зависимости $v\propto s^{-1/2}$ для широких бинаров) — сильный аргумент в пользу Newton+DM.