Кратко — в чем суть и какие наблюдения могли бы однозначно поддержать одну из концепций.
Суть моделей
- Тёмная материя (DM): плоские кривые объясняются дополнительной невидимой массой в гало вокруг галактик; при ньютоновской гравитации круговая скорость определяется как
$$v_c(r)=\sqrt{\frac{GM(r)}{r}},$$ где $M(r)$ — суммарная (барионная + тёмная) масса внутри радиуса $r$.
- Модификация ньютоновой динамики (MOND): при малых ускорениях $(a\ll a_0)$ закон движения меняется; общая форма записи:
$$\mu \left(\frac{a}{a_0}\right)a=a_N,$$ где $a_N$ — ньютоновское ускорение, $a_0$ — характерное ускорение. В глубоком MOND получается
$$a=\sqrt{a_N{a}_0}\Rightarrow v_{\infty }=(G{M}_b{a}_0{)}^{1/4},$$ что даёт точную безпараметрическую связь «масса барионов — скорость» (барионная Tully–Fisher): $M_b\propto v^4$.
Где каждая модель сильна/слабa
- MOND: очень хорошо предсказывает формы кривых вращения отдельных галактик и малую дисперсию в барионной Tully–Fisher при одном значении $a_0$. Предсказывает также специфические эффекты (напр., внешний полевой эффект — EFE).
- DM (ΛCDM): успешно объясняет наблюдения на больших масштабах — акустические пики в РСМ (CMB), статистику крупномасштабной структуры, распределение масс скоплений, слабое/сильное линзирование; предсказывает наличие некулоновесной массы, разделяющейся от газа при столкновениях кластеров.
Наблюдения, которые могли бы однозначно поддержать одну из концепций
1. Прямая лабораторная детекция частиц тёмной материи
- Позитивный сигнал с космологически значимой плотностью (соответствие ${\Omega }_{\mathrm{dm}}$) и свойствами, совместимыми с массой/рассеянием, — сильнейшее доказательство в пользу DM.
- Отсутствие сигнала не исключает DM (широкое пространство моделей), но положительная детекция будет решающей.
2. Коснтруктивные результаты CMB и ранней Вселенной
- Точные измерения акустических пиков, совместимые только с ненулевой долей не-барионной материи (например ${\Omega }_{\mathrm{dm}}\sim 0.25\text{–}0.30$), сильно поддерживают DM и проблематизируют MOND без существенных модификаций ранней космологии.
3. Столкновения скоплений (Bullet-like systems)
- Наблюдение смещения масс (по линзированию), которое следует за галактиками, а не за рентгеновским газом (как в Bullet Cluster) — сильный аргумент в пользу DM. Повторяемые и статистически значимые примеры такого разделения маловероятны для чистого MOND без дополнительной невидимой массы.
4. Внешний полевой эффект (EFE) и поведение широких двойных систем
- MOND предсказывает, что внутренние динамики слабых систем зависят от внешнего поля: если EFE надёжно измерен (например, в широких двойных звёздах или карликах) точно в соответствии с MOND-расчётом и с одним $a_0$, это — сильная поддержка MOND и серьёзная проблема для DM (потому что в DM внутренние движения не зависят от внешнего гравитационного фона так, как в MOND).
- Отсутствие EFE там, где MOND предсказывает его, фактически опровергнет MOND.
5. Тороидальные/приливные карлики (tidal dwarfs)
- В DM-модели приливные карлики должны содержать мало DM и не показывать значительной дисперсии скорости; MOND предсказывает массовый дисбаланс из-за низких ускорений. Систематическое наблюдение лепестка: если большинство приливных карликов имеют «массовый дефицит» как в MOND — поддержка MOND; если они «бедны» в аномалиях — поддержка DM.
6. Скопления галактик и профиль масс
- Если точные карты масс для многих скоплений показали бы, что MOND (без доп. невидимой массы) не может объяснить оставшийся дефицит, это поддерживает DM. Если же найдётся физическое невидимое, ограниченно локализованное вещество (напр., лёгкие нейтрино) с требуемой плотностью — это частично смягчит проблему MOND, но потребует дополнительной тёмной компоненты.
7. Мелкомасштабные предсказания и разнообразие кривых
- Если статистика малых галактик, форм профиля плотности (ядро против пика NFW) и «diversity problem» остаётся несовместимой с любой правдоподобной моделью формирования галактик в ΛCDM (при учёте обратной связи) — это даст серьёзную проблему DM и усилит аргументы в пользу MOND. Обратно, если гидродинамические симуляции с барионной физикой в detail восстановят наблюдаемое разнообразие без искусственных настроек — аргумент в пользу DM.
Короткий вывод
- Решающее доказательство для DM: прямая лабораторная обнаружение частицы с космологической плотностью и/или повторяющиеся наблюдения столкновений скоплений, где масса (по линзированию) отделена от газа.
- Решающее доказательство для MOND: надежное обнаружение внешнего полевого эффекта и точной универсальной законы $M_b\propto v^4$ для всех типов систем с малой внутр. ускорением при одном значении $a_0$, плюс невозможность объяснить эти эффекты в рамках DM даже с учётом барионной физики.
Любая окончательная оценка потребует согласованности на всех масштабах: от широких бинаров и галактик до скоплений и ранней Вселенной.