Краткий вывод

Оба класса идей $частицы«тёмнойматерии»врамкахобщейрелятивистской(\Lambda )CDMимодификациигравитации,первуюочередьMOND-подобныетеориииихрелятивистские«оболочки»$ способны объяснить некоторые наблюдаемые явления, но на разных масштабах делают разные предсказания. На уровне галактик MOND отлично описывает вращательные кривые и масштабы вроде закона Талли-Фишера с малым количеством параметров; на уровне кластеров и космологии ΛCDM выигрывает $CMB,LSS,слияниякластеров$. Практически однозначно различить подходы можно сочетанием: карт массы из линзирования и X‑лучей в слияниях кластеров, точного картирования роста структур $CMB,BAO,LSS$, тестов в низкоускорительных системах $низкоповерхностныегалактики,широкиебинарныезвёзды,EFE$ и прямых/косвенных поисков частиц.

Что конкретно наблюдать $эмпирическиетесты$

Слияния кластеров $BulletCluster,аналогичныесистемы$

Наблюдение: оффсеты между центрами масс $линзированием$ и распределением горячего газа $X‑излучение$. Ожидание: в ΛCDM масса должна идти с невзаимодействующей DM $сопоставимасгалактиками$, в простом MOND масса должна следовать обычной материи $газу$ — в действительности в Bullet Cluster линзирование показывает пиковую массу, смещённую от газа, что естественно для DM и проблематично для простого MOND $требуетдополнительнойневидимоймассыилиусложнённойтеории$.

Карты массы через сильное и слабое гравитационное линзирование

Точное сопоставление карты поверхностей потенциала и распределения барионов $звёзды+газ$. ΛCDM допускает массу, не совпадающую с барионами $галактическиегало$, MOND/TeVeS пытаются воспроизвести линзирование через дополнительные поля, но часто нужны дополнительные параметры или «трудная» невидимая масса в кластерах.

Космический микроволновый фон $CMB$ и акустические пики

Наблюдение: амплитуды и положения вторых/третьих пиков спектра. Ожидание: CMB требует невзаимодействующей массовой компоненты, влияющей на флуктуации перед рекомбинацией. MOND как эмпирический закон на малых ускорениях не даёт естественного объяснения высоты пиков без добавления компонент $например,тяжёлыхнейтрино$ или серьёзной модификации ковариантной динамики.

Рост структур и большое масштабное строение $BAO,f\sigma 8,LSS$

Наблюдение: скорость образования структур, амплитуды плотностных возмущений. Ожидание: ΛCDM с холодной DM предсказывает правильный темп роста и структуру на больших масштабах; модифицированные теории должны быть согласованы с наблюдаемой скоростью роста — это сложнее реализовать без дополнительной компонентности.

Малые скейлы: ротационные кривые, LSB $low-surface-brightness$ галактики, дрифтовые галактики-спутники

Наблюдение: поведение кривых при очень малых ускорениях, универсальность формы; «разнообразие» кривых при схожих массах. Ожидание: MOND обычно очень успешно воспроизводит кривые по одному параметру $массасветящихсякомпонент$, причем появляется естественный скейлинг a0 и ТФ‑закон. ΛCDM требует моделирования барионной физики и подстраиваемых профилей гало $c,M$, но гидродинамическое моделирование может воспроизводить наблюдаемое разнообразие.

Внешнее поле $ExternalFieldEffect,EFE$

Наблюдение: влияние внешнего гравитационного поля на внутреннюю динамику маломассивных систем $предсказаноMOND$. Ожидание: наличие EFE — «клей-маркер» MOND. Его detections/отсутствие в наблюдениях LSB и спутниковых систем критичны. Gaia позволяет тестировать широкие бинарные звёзды и внешнее поле.

Широкие бинарные звёзды и звездная динамика в Солнечной системе

Наблюдение: поведение на ускорениях ~ a0 $широкиебинарныепары10^{4}AU$. Ожидание: MOND предсказывает отклонения от Ньютона при очень малых ускорениях, прямые измерения $Gaia$ могут подтвердить или опровергнуть.

Подструктура гало: число малых спутников и масса субгалактик, гравитационное микролинзирование

Наблюдение: число сателлитов и их массовые функции, субструктура, флуктуации в линзах $flux‑ratioanomalies$. Ожидание: ΛCDM предсказывает богатую субструктуру; отсутствие её или иное распределение может указывать на тёплую DM или модификации. MOND не предсказывает субструктуру DM‑гало, поэтому подробные статистики субгалактик — сильный тест.

Динамика скоплений галактик и массообразование $вертикальныедисперсии,температурныепрофилигаза$

Наблюдение: массовые оценки из галактик, газа и линзирования. Ожидание: MOND часто недообъясняет всю недостающую массу в кластерах, нужен «дополнительный» масс‑компонент $стерильнотяжёлыенейтриноилидр.$.

Прямые и косвенные поиски частиц DM

Наблюдение: сигналы в детекторах $детекторынаповерхности/подземлёй$, гамма/рентген/античастицы от аннигиляции/распада, коллайдеры. Ожидание: прямой позитивный сигнал однозначно укажет на частицу DM и сильно укрепит ΛCDM; отсутствие сигналов сужает пространство параметров $масса,{\sigma }_{a}nn,{\sigma }_{S}I$.

Свечи/«выстрелы», однозначно дискриминирующие подходы

CMB + BAO + LSS: согласованность всех этих данных с ΛCDM $количествотёмнойматерии\Omega c,спектральныйиндекс,фракциябаарионов$ — самая мощная аргументация в пользу DM на космологических масштабах. Любая модификация гравитации должна их воспроизводить.Слияния кластеров с оффсетами между линзированием и газом $BulletCluster/Abell520ипр.$ — сильный аргумент в пользу невзаимодействующей массы.Наблюдения широких бинаров и внешнего поля: подтверждение ЕFЕ — в пользу MOND; строгие опровержения ЕFЕ — серьёзная проблема для MOND.Точечный положительный результат прямого/косвенного детектирования частиц DM — почти окончательное «победное» доказательство частиц.

Внутренние противоречия и свободные параметры

ΛCDM и модели частиц тёмной материи

Свободные параметры:
Параметры космологии: Ωc, σ8, ns и пр. — хорошо ограничены CMB/BAO.Свойства частицы: масса, взаимодействие с барионами и с собой $\sigma /m$, annihilation cross‑section — крайне важны и эмпирически почти свободны. Параметры гало: концентрация c$M$, форма профиля $NFW,coredprofiles$ и влияние барионной обратной связи — зависят от моделирования.Проблемы / внимание:
Малые скейлы: «core‑cusp», too‑big‑to‑fail, missing satellites, «diversity» ротационных кривых. Решения: baryonic feedback, star formation-driven outflows, или модификации DM $SIDM,WDM$ — все вводят дополнительные параметры $скоростьвзаимодействия,массаWDMит.п.$.Параметризация барионной физики в симуляциях остаётся сложной и порой подстраивающейся.Констрейнты по σ/m: чтобы сделать ядра в дварфах, нужна σ/m ~ 0.1–10 cm^2/g, но для кластеров σ/m должен быть ≲0.1 cm^2/g — требует зависимого от скорости σ$v$ $нетривиально$.

Модифицированные теории гравитации $MOND,TeVeS,MOG,f(R),EmergentGravity$

Свободные параметры:
Для MOND ключевой параметр a0 ≈ 1.2×10^−10 m/s^2 и функция интерполяции μ$x$ $формапереходаНьютон\leftrightarrow MOND$ — выбор μ$x$ влияет на детали кривых. В релятивистских реализациях $TeVeS$ — дополн. скаляр/векторные поля, константы связей, фоновые значения, потенциалы и др. — много параметров и функций.В некоторых подходах $MOG/STVG$ — скалярные поля, изменяющаяся «гравитационная константа», длина взаимодействия и т. д.Проблемы / внимание:
Кластеры: MOND обычно недостаёт массы в кластерах $порядокфактора2–3$, что приводит к необходимости вводить дополнительную невидимую массу $тяжёлыенейтрино,стерильныекомпоненты$ либо усложнять теорию.Космология: трудно воспроизвести CMB и рост структуры без дополнительных компонент или явной ковариантной модификации. TeVeS испытывает трудности с CMB третий пик и ростом структур без ввода горячей материи $нейтрино$.Универсальность a0 и его численное совпадение с cH0 — загадочное совпадение, указывающее то ли на новый фундаментальный масштаб, то ли на проблемное «тонкое» подгоны.VSL‑эффекты, нарушение сильного эквивалентного принципа, EFE — предсказывают явления, не наблюдаемые в классической гравитации, поэтому требуют аккуратной проверки.Релятивистские версии часто сложнее, имеют больше свободных функций и подвержены теоретическим ограничениям $стабильность,когерентностьметрик,когерентностьслэнзированием$.

Какие наблюдения/эксперименты приоритетны сейчас и в ближайшее время

Высокоточное картирование линзирования большого числа слияний кластеров $Euclid,LSST,JWST$ — расширит статистику и позволит тестировать смещения масс vs барионов. CMB поляризации и малых масштабов $Planckужесильноограничил,будущиемиссииуточнят$ — проверка экономичности DM‑параметров. Большие обзоры галактик $DESI,Euclid,LSST$ для роста структур, RSD и BAO — тесты структуры в разных z. Gaia $ипоследующие$ — широкие бинарные звезды, внутренние кинематические структуры в галактиках‑спутниках, тесты EFE. Поиск субструктуры в сильном линзировании $ALMA,JWST,ELT$ — статистика субгалактик и массовая функция субгало. Лайман‑альфа лес и высокие z наблюдения — ограничения на свободно‑плывущую $WDM$ массу. Прямые/косвенные поиски частиц DM и коллайдеры — окончательное подтверждение или дальнейшее сужение модели частиц.

Практический «чек‑лист» отличий, которые следует смотреть в данных

Оффсеты массы vs газа в слияниях → в пользу DM при систематическом присутствии. Устойчивое воспроизведение CMB‑пиков и LSS → сильная точка в пользу DM. Наличие/отсутствие EFE и предсказанные систематические отклонения в очень слабых полях → ключевой тест для MOND. Поддержка субструктуры и её массовой функции в линзах → в пользу CDM. Положительный сигнал прямого детектора или характерные продукты аннигиляции/распада → однозначное указание на частицу.

Итог

На масштабах отдельных галактик MOND показывает впечатляющую предсказательную силу с малым количеством параметров; это требует от ΛCDM объяснения, почему при сложной истории формирования галактики наблюдается такая упрощённая зависимость. На масштабах кластеров и космологии стандартная модель с тёмной материей гораздо лучше согласуется с большим набором наблюдений; любые успешные модификации гравитации должны и дальше воспроизводить эти успехи, зачастую требуя дополнительных компонент или усложнений. Лучший путь — многомасштабный подход: сочетание линзирования, CMB/BAO/LSS, глубоких наблюдений галактик низкой поверхностной яркости и локальных тестов $Gaia$ + поиски частиц DM. Только такое комплексное тестирование способно окончательно отделить «чистую» модификацию гравитации от наличия невидимой материи и/или показывать, какие гибридные решения $например,MOND‑эффектывсочетаниисмалойдолейгорячей/тёплойDMилисаморассеивающийсяDM$ являются реалистичными.