Сравнение по трём наблюдениям (кратко, по каждой гипотезе).
WIMPs (стандартный CDM)
- Кривые вращения: хорошо объясняют массовые гало как невидимую компоненту, дают профиль из симуляций типа NFW; проблема: внутренний «cusp» vs наблюдаемые «core» (малые масштабы).
- Реликтовый фон: отлично согласуются с CMB (параметр ${\Omega }_{\mathrm{c}}{h}^2$ подстраивается под пики); необходимость пассивной, холодной компоненты до рекомбинации согласуется с амплитудами и расположением акустических пиков.
- Крупномасштабная структура: CDM даёт правильный спектр $P(k)$ и иерархическое образование структур; проблемы только на малых масштабах (missing satellites, too-big-to-fail), которые можно частично решать барионной физикой или самовзаимодействиями.
Аксионы (включая ультралёгкие / «fuzzy» axions)
- Кривые вращения: холодные аксионы как обычный CDM — работают аналогично WIMPs; ультралёгкие аксионы (масса $m\sim 10^{-22}$–$10^{-20}$ eV) создают квантовое давление с длиной де-Бройля ${\lambda }_{\mathrm{dB}}=\frac{h}{mv}$, что даёт центральные «cores» и может улучшить соответствие наблюдаемым кривым на малых масштабах.
- Реликтовый фон: тяжёлые/стандартные аксионы — как CDM, согласие с CMB; очень лёгкие аксионы подавляют маломасштабную мощность и накладывают ограничения от CMB и Lyman-$\alpha$ (нужны пределы на $m$).
- Крупномасштабная структура: стандартные аксионы — хорошее соответствие; ультралёгкие подавляют малые шкалы, что может решать некоторые маломасштабные проблемы, но чрезмерное подавление конфликтует с наблюдениями малых структур и Lyman-$\alpha$ (ограничения на $m$).
MACHO (барионные компактные объекты, включая PBH в отдельных вариантах)
- Кривые вращения: массивные компактные объекты в гало дают гравитационный вклад и могут формально объяснить кривые, но требуемая фракция baryonic DM конфликтует с другими ограничениями.
- Реликтовый фон: основная проблема — ограничение на барионную плотность из BBN и CMB: ${\Omega }_b{h}^2$ фиксирована, поэтому большинство DM не может быть барионным MACHO; PBH (небарионные) в некоторых узких диапазонах масс ещё возможны, но общая согласованность с CMB/структурой ограничена.
- Крупномасштабная структура: MACHO как совокупность компактных объектов воспроизводит некоторую крупномасштабную гравитацию, но не объясняет хорошо распределение плотности в ранней вселенной (потеря эффекта «плавного» CDM) и сталкивается с ограничениями микролинзирования, динамических и CMB-ограничений; PBH возможны лишь в ограниченных масс-окнах.
MOND (модификация Ньютона/гравитации, e.g. MOND/TeVeS)
- Кривые вращения: очень успешно предсказывает плоские кривые и соотношение между поверхностной плотностью и ускорением с характерным масштабом $a_0$ (параметр порядка $a_0\approx 1.2\times 10^{-10}m/{\mathrm{s}}^2$).
- Реликтовый фон: стандартный MOND без дополнительной невзаимодействующей массы не воспроизводит наблюдаемые акустические пики CMB; релативистские расширения (TeVeS) частично улучшают ситуацию, но требуют дополнительной «тёмной» компоненты (например тяжёлых нейтрино или PBH) и всё равно хуже согласуются с деталями пиков, чем CDM.
- Крупномасштабная структура: MOND не даёт естественной линейной теории роста возмущений, чтобы получить наблюдаемый спектр $P(k)$ и BAO без введения невидимой материи; в модели MOND рост структур обычно слишком медленный или требует дополнительных компонентов.
Краткое резюме
- Лучшее согласие с CMB и LSS даёт холодная невзаимодействующая материя (WIMPs, тяжёлые аксионы) — стандартная ΛCDM.
- Ультралёгкие аксионы могут решать маломасштабные проблемы, но их масса строго ограничена наблюдениями.
- MACHO/барионные варианты существенно ограничены BBN и CMB; PBH остаются возможными только в узких диапазонах масс.
- MOND хорошо объясняет кривые вращения галактик локально, но без дополнительной компоненты не воспроизводит CMB и крупномасштабную структуру.