Кратко и по существу: какие наблюдения в спиральных галактиках поддерживают идею тёмной материи (ТМ), а какие лучше описываются альтернативами вроде MOND.
Наблюдательные факты, поддерживающие тёмную материю:
- Плоские кривые вращения: вне видимой светящейся части галактики скорость вращения $v(r)$ остаётся примерно постоянной, тогда как для видимой массы ожидалось спад $v\propto r^{-1/2}$. Аналитически для круговой орбиты $v_c(r)=\sqrt{\frac{GM(r)}{r}}$ — постоянный $v$ требует $M(r)\propto r$, то есть невидимой массы на больших радиусах.
- Массовые разборы (decomposition) кривых вращения: чтобы подогнать наблюдаемые $v(r)$, нужен гало с большой долей нематериальной массы; типичная модель гало — профиль NFW: $\rho (r)=\frac{{\rho }_s}{(r/r_s)(1+r/r_s{)}^2}$.
- Слабое линзирование и динамика спутников: статистические измерения оболочек и спутников показывают акумулированную массу вокруг спиральных галактик, согласную с гало ТМ.
- Внешние HI-пики и газовые диски: газовые измерения на больших радиусах подтверждают необходимость дополнительной массы.
- Космологическая согласованность: независимые от галактик данные (CMB, крупномасштабная структура, формирование галактик) требуют невзаимодействующей холодной ТМ — это сильно поддерживает модель ТМ как физического компонента.
Наблюдательные факты, которые MOND (и подобные модификации гравитации) объясняют лучше или естественнее:
- Точные формы кривых вращения: MOND часто подгоняет кривые с меньшим числом свободных параметров, особенно в низкополотностных (LSB) галактиках.
- Барионная Тully–Fisher связь: наблюдается тесная зависимость полной барионной массы $M_b$ от плато скорости $v_f$, близкая к $M_b\propto v_f^4$. MOND предсказывает эту зависимость автоматически в пределе глубокого MOND.
- Реляция массового дефицита — ускорение (MDAR / RAR): наблюдается строгое соотношение между наблюдаемым ускорением $g_{\mathrm{obs}}=v^2/r$ и ньютоновским ускорением от барионов $g_N$. Эмпирическая функция хорошо совпадает с MOND-предсказанием. В MOND основная формула записывается как
$\mu \left(\frac{a}{a_0}\right)a=a_N,$ где в глубоком MOND $a\approx \sqrt{a_N{a}_0}$ и характерная шкала $a_0\approx 1.2\times 10^{-10}{\text{m/s}}^2$.
Одно из эмпирических приближений RAR:
$$g_{\mathrm{obs}}=\frac{g_N}{1-e^{-\sqrt{g_N/a_0}}},$$ что даёт хорошее совпадение с данными по огромному набору спиралей.
Проблемы и слабые места каждой гипотезы на масштабе спиральных галактик:
- Тёмная материя:
- Плюсы: естественно вписывается в космологическую модель; объясняет линзирование, динамику спутников и крупномасштабные эффекты; гибкость моделей гало (NFW, SIDM) позволяет подгонять данные.
- Минусы: напряжённость с формой центрального профиля (cusps vs cores): NFW предсказывает центральный "кос", тогда как многие наблюдения показывают "ядра". Это можно частично объяснить вспышками звёздообразования и барионной обратной связью или предполагая самовзаимодействующую ТМ (SIDM), но требуется сложная «морфология» и настройка параметров.
- MOND:
- Плюсы: поразительно хорошо предсказывает кривые вращения, Tully–Fisher и RAR с минимумом параметров; особенно успешен в LSB-галактиках.
- Минусы: трудно согласовать с данными по скоплениям галактик (где всё ещё требуется дополнительная невидимая масса), с CMB и крупномасштабной структурой без введения дополнительной материи; проблемы с некоторыми случаями гравитационного линзирования и системами типа "Bullet Cluster". Для полноты требуется релятивистская версия (напр. TeVeS), которая сталкивается с трудностями при согласовании всех наблюдений.
Вывод (кратко):
- На уровне спиральных галактик оба подхода имеют сильные аргументы: MOND превосходно описывает локальные закономерности (кривые вращения, Tully–Fisher, RAR) с малым числом параметров; стандартная модель с тёмной материей лучше согласуется с независимыми данными вне галактик (КБМ, крупномасштабные структуры, линзирование) и даёт универсальную физическую картину.
- Современная тенденция: модель ТМ + реалистичная барионная физика (звёздные вспышки, ветры, взаимодействия) может воспроизводить многие галактические феномены, ранее считавшиеся аргументом в пользу MOND, но MOND-подобная феноменология (жёсткий RAR) остаётся важным эмпирическим ориентиром, который любая теория должна объяснить.