Кратко — две категории объяснений наблюдаемых гравитационных аномалий:
1) Темная материя (ТМ): существует невидимая невзаимодействующая (или слабо взаимодействующая) компонента массы, которая добавляет гравитацию, но не светится. Современные кандидаты:
- WIMP (слабовзаимодействующие тяжёлые частицы): холодная, кластеризуется на всех масштабах; прогнозы — прямые детекторы, аннихиляционные гамма-сигналы, сигнатуры на коллайдерах.
- Аксионы/альтернатива лёгкой частицы (ULDM, «fuzzy»): очень низкая масса $\sim 10^{-22}\mathrm{eV}$; даёт квантово-волновой эффект в центре галактик (ядра).
- Стерильные нейтрино (тёплая ТМ): влияет на малые шкалы структуры; возможен рентгеновский фотон от распада.
- Само-взаимодействующая ТМ (SIDM): меняет профиль центральных плотностей (ядра вместо «кокона»).
- Примордиальные чёрные дыры (PBH): масса в широком диапазоне; латеральные ограничения от микролинзирования и GW.
Ключевая предсказуемая особенность: масса и распределение невидимой компоненты, наличие субструктуры (субгало) и сигналы в детекторах.
2) Модифицированная гравитация (MOND и релятивистские расширения):
- Базовая идея MOND: при ускорениях ниже характерного масштаба $a_0$ гравитация «усилена». Формула в эвристическом виде: $\mu (|\mathbf{a}|/a_0)\mathbf{a}={\mathbf{a}}_N$, где ${\mathbf{a}}_N$ — ньютоновское ускорение; часто $\mu (x)\to x$ при $x\ll 1$ и $\mu (x)\to 1$ при $x\gg 1$. Численно $a_0\approx 1\times 10^{-10}m/{\mathrm{s}}^2$.
- Релятивистские версии: TeVeS, MOG, «emergent gravity» и т. п., вводят дополнительные скалярные/векторные поля, пытаются согласовать линзирование и космологию.
Особенности MOND: обеспечивает Tully–Fisher: $M_b\propto V_f^4$ без ТМ; предсказывает внешний эффект поля (EFE) — влияние окружения на внутреннюю динамику.
Какие наблюдения/тесты окончательно отличат гипотезы
A. Космологические наблюдения (решающие для моделей)
- CMB и акустические пики: амплитуды и положение пиков очень чувствительны к невзаимодействующей материи. Стандартная ΛCDM хорошо воспроизводит спектр. MOND без дополнительной негравитационной компоненты затруднён в точном воспроизведении пиков; релятивистские расширения требуют дополнительных невидимых компонент (напр., тяжёлые нейтрино). Тест: высокоточная карта CMB и параметры ${\Omega }_m,{\Omega }_b$. Если точные измерения дают согласие с моделью без некогерентных дополнительных компонент — в пользу ТМ.
- Большая шкала структуры и BAO (рост плотностных флуктуаций, $f{\sigma }_8$): ТМ предсказывает определённую историю роста. MOND требует специальной дополнительной энергетики/полей для согласия. Сильное несоответствие роста структуры укажет против MOND-подходов без ТМ.
B. Слияния скоплений (классический тест)
- «Bullet Cluster» и аналогичные: наблюдается расслоение между рентгеновским газом (большая доля барионной массы) и картой массы по гравитационному линзированию — центры линзирования совпадают с галактиками, а не с газом. Это естественно для коллизионной барионы + невзаимодействующей ТМ, трудно объяснить чистым MOND (без дополнительной невидимой массы). Повторение систематического набора таких слияний с высоким S/N и статистикой улучшит доказательность. Если подобные расслоения универсальны — в пользу ТМ.
C. Линзирование и картирование массы
- Слабое и сильное линзирование скоплений/галактик: если масса, ответственная за линзирование, явно не следует за барионами и её распределение согласуется с невидимой формой — в пользу ТМ. MOND-релативистские версии могут частично воспроизвести линзирование, но их параметры проверяются на совпадение с наблюдениями.
- Микролинзирование и «аномалии» в сильно линзированных квазарах: наличие большого количества тёмных сабгалактик (без звёзд) — предсказание холодной ТМ; MOND не обеспечивает многочисленные невидимые субгало. Доказательство большого числа чисто тёмных субгало — сильный аргумент в пользу ТМ.
D. Малая шкала: дыры в звёздных потоках, сабгало
- Присутствие субструктуры ТМ создаёт характерные разрывы и возмущения в тонких звёздных потоках (Pal 5 и др.); чувствительные поиски (Gaia, LSST) могут количественно сравнить с предсказаниями CDM vs MOND. Отсутствие ожидаемой популяции сабгало при больших объёмах данных — проблема для CDM.
E. Внутренние профили галактик и внешний эффект поля (EFE)
- MOND предсказывает чёткие зависимости для низкоповерхностных галактик и эффект окружения (EFE): галактики в сильном внешнем поле ведут себя иначе, чем изолированные при тех же собственных массах. Наблюдаемая универсальность (или её отсутствие) EFE — мощный тест. Целевая проверка: пары одинаковых галактик в разных окружениях.
- Плотность центров (core vs cusp): SIDM или ULDM могут объяснить ядра; MOND тоже даёт специфические профили. Точные измерения профилей в маломасштабных системах (карты скоростей в дисках, динам. спектры карликов) помогут.
F. Директные и индиректные детекторы
- Прямое обнаружение частицы ТМ в лаборатории (детекторы рассеяния, аксионные галоcкопы, сигнал на коллайдерах) — окончательное доказательство ТМ. Отсутствие детектируемых сигналов не опровергает все кандидаты (могут быть очень слабо взаимодействующие или очень лёгкие/тёплые).
- Индицированные/аннигиляционные сигналы (гамма/антиматерия) от центров галактик/карликов. Установление нерелятивистического сигнала согласного с моделью ТМ — сильный аргумент.
G. Космологические малые шкалы: Lyman-α, 21‑cm
- Лес Lyman-α и 21‑см сигнал чувствительны к малой шкале мощности: тёплая/ультралёгкая ТМ подавляет структуру на определённых длинах волны. Совпадение наблюдений с CDM или требование «теплоты»/фа́зовой природы — важный критерий.
H. Солнечная система / широкие бинарные системы / эквивалентность
- MOND должно редуцироваться к GR при высоких ускорениях, но на границе есть тестируемые эффекты — широкие бинарные звёзды с низкими ускорениями, прецизионные измерения эквивалентности и п Fifth‑force-поиски. Последние годы предлагают проверки широких бинаров (Gaia) на MOND-эффекты.
Что будет «окончательным»:
- Прямое обнаружение ТМ-частицы (или убедительная космологическая и астрофизическая комбинация: CMB+LSS+многочисленные слияния/линзирования+сабгало), согласующаяся по массовому и взаимодействному профилю → практически окончательное подтверждение ТМ и исключение чистого MOND.
- Надёжное, повторяемое обнаружение ключевой MOND-особенности, несовместимой с любой адекватной моделью ТМ (например, универсальный внешний эффект EFE в широком статистическом наборе, который невозможно объяснить распределением невидимой массы без сильно искусственных допущений) — будет серьёзным аргументом в пользу модификации гравитации.
- В реальности наиболее вероятен гибрид: некоторые релятивистские версии MOND требуют дополнительной невидимой массы (напр., тяжёлые нейтрино). Тогда решающими будут сочетания прямых детекторов и точных космологических/линзирующих наблюдений.
Краткий итог: наиболее решающие наблюдения — высокоточное картирование массы (линзирование) в слияниях и на малых масштабах, статистика сабгало (стримы и микролинзирование), высокоточная CMB/LSS/BAO-космология и, главным образом, прямое лабораторное обнаружение (или надёжный нулевой результат, исключающий весь разумный класс кандидатов).