Роль и влияние
- Тёмная материя (ТМ) задаёт гравитационный каркас, на котором растут галактики и крупномасштабная сеть: флуктуации плотности в ранней Вселенной растут быстрее в присутствии невзаимодействующей холодной ТМ, что приводит к иерархическому образованию структур — от малых субгалактик к крупным скоплениям. Без ТМ наблюдаемые амплитуды и масштабы структур (кластеры, галактики) не воспроизводятся.
- Тёмная энергия (ТЭ) управляет поздним ускорением расширения Вселенной и подавляет рост структур на больших масштабах: ключевой параметр — уравнение состояния $w=p/\rho$. Для космологической постоянной $w=-1$; любое отклонение меняет историю расстояний и скорость роста плотностных флуктуаций.
Какие наблюдения ближайших десятилетий существенно сузят модели
1) Геометрические и ростовые методы (сочетание)
- Суперновые типа Ia, BAO, стандартные сирены (гравитационные волны) — точные расстояния; ожидаемо достижение процентовой точности для параметров расширения и $w$ (параметризация $w(a)=w_0+w_a(1-a)$, ограничения на $w_0,w_a$).
- Измерения роста структуры: слабое гравитационное линзирование и кластеризация галактик дают $f{\sigma }_8(z)$ (где $f=d\ln D/d\ln a$ — скорость роста, ${\sigma }_8$ — амплитуда). Несоответствие между геометрией и ростом укажет на модификацию гравитации или нестандартную ТЭ.
2) Мощные предстоящие проекты
- Euclid, Rubin/LSST, Roman, DESI, SKA: карты галактик/линзирования, BAO, RSD по миллионам объектов → субпроцентные ограничения на $w_0,w_a$ и рост.
- CMB-S4, Simons Observatory: улучшение начальных условий и нейтрального газа; комбинация с LSS резко сокращает пространство параметров.
- 21‑cm (SKA, HERA): щупают ранний рост и мелкомасштабную структуру.
- Стандартные сирены (LIGO/Virgo/KAGRA, LISA): независимые $D_L(z)$ и тесты распространения гравитационных волн (чувствительны к модификациям гравитации).
3) Природа тёмной материи — малые масштабы
- Линия Лайман‑α, спутники галактик, поток звезд и сильное линзирование дают ограничения на свободное пролётывание частиц (warm DM) и на самовзаимодействия (SIDM). Например, лимиты на массу теплого DM $m_{\mathrm{WDM}}\gtrsim 3\text{–}5\mathrm{keV}$ и на поперечное сечение SIDM $\sigma /m$.
- Поиск субгалактик через микролинзинг и динамику тесных потоков может отличить холодную от «пушистой» (fuzzy) ТМ: для ультралёгких аксионоподобных частиц с массой $m\sim 10^{-22}\mathrm{eV}$ деБройлевская длина даёт кильпарсековые сердцевины.
4) Прямые/косвенные и коллайдерные поиски
- Эксперименты прямого детектирования (XENONnT, LZ, DARWIN), индикации в гамма/рентген/нейтрино для аннигиляции/распада и поиски на HL‑LHC: либо обнаружение частицы, либо жёсткое ограничение на класс моделей (WIMP, стерильные нейтрино, т.д.).
Почему модифицированная гравитация остаётся в повестке
- Фундаментальные проблемы: космологическая постоянная (величина ТЭ) и её «тонкая настройка» мотивируют поиск альтернатив, где ускорение — эффект модификации гравитации на больших масштабах.
- Наличие напряжений данных: несоответствие локальных измерений $H_0$ и значения из CMB ($H_0$ локально $\sim 73$, планковское $\sim 67\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1}$) и «S8‑тессия» дают стимул рассматривать новые физические механизмы.
- Модификации с экранированием (chameleon, Vainshtein) могут вести себя как GR на малых масштабах (солнечная система), но отличаться космологически; это делает их совместимыми с локальными тестами и даёт прогнозируемые сигнатуры в росте и линзировании (например, изменение эффективной константы $G_{\mathrm{eff}}$ и гравитационного сдвига $\eta =\Phi /\Psi$; в GR $\eta \approx 1$).
Ключевые диагностические показатели и формулы
- Рост: $f(a)\approx {\Omega }_m(a{)}^{\gamma }$ с GR-значением $\gamma \approx 0.55$. Систематическое отклонение в $\gamma$ укажет на новые силы.
- Гравитационный сдвиг: $\eta =\Phi /\Psi$. Линзирование чувствительно к $\Phi +\Psi$, динамика — к $\Psi$; несоответствие — сигнал модификации.
- Уравнение состояния ТЭ: измерение $w(z)$ и параметров $(w_0,w_a)$ — тест для динамической ТЭ vs $\Lambda$.
Короткий вывод
- В ближайшие десятилетия комбинация точных карт расширения и роста структуры, маломасштабных наблюдений и лабораторных поисков либо подтвердит стандартную картину (холодная ТМ + $\Lambda$), либо выявит расхождения, которые позволят исключить большие классы моделей (напр., теплый/слишком легкий DM, простые кинетические модели ТЭ, многие модификации гравитации). Модифицированная гравитация остаётся релевантной, потому что она предлагает альтернативные механизмы ускорения и потенциально объясняет текущие напряжения, при этом может быть скрыта на малых масштабах экранирующими эффектами — то есть у неё есть конкретные, тестируемые предсказания для предстоящих экспериментов.