Кратко: текущие наблюдения в целом широко поддерживают базовую модель $\Lambda$CDM, но есть устойчивые несоответствия на разных масштабах, которые открывают пространство для конкурентных моделей тёмной материи (ТМ) и тёмной энергии (ТЭ). Ниже — суть соответствия моделей наблюдениям, ключевые противоречия и какие будущие наблюдения что решат.
Что хорошо описывает данные
- CMB (Planck) + BAO + SNIa: согласуются с базовой моделью $\Lambda$CDM с параметрами примерно ${\Omega }_m\simeq 0.31$, ${\Omega }_{\Lambda }\simeq 0.69$, и уравнением состояния ТЭ $w\simeq -1$. CMB даёт строгие ограничения на начальные флуктуации и на сумму масс нейтрино $\sum m_{\nu }$.
- Крупномасштабное распределение галактик и BAO: подтверждают геометрию и рост структуры, совместимы с $\Lambda$CDM на больших масштабах.
Альтернативы тёмной материи и их соответствие наблюдениям
- Холодная ТМ (CDM, базовая): отлично согласуется с CMB и LSS на средних/больших масштабах; проблемные мелкие шкалы — «кора–вершина», «недостающие спутники», «плоскости спутников».
- Тёплая ТМ (WDM): ослабляет маломасштабные проблемы за счёт свободного пробега частиц. Жёсткие ограничения от леса Лаймана: масса тёплой ТМ должна быть примерно $m_{\mathrm{WDM}}\gtrsim$ несколько keV, иначе подавляется малые структуры в противоречии с наблюдениями.
- Ультралёгкая (fuzzy) ТМ / аксионы: даёт квантовые «ядра» в малых галактиках при $m\sim 10^{-22}$ eV, но Lyman‑$\alpha$ и галактические наблюдения сильно ограничивают слишком малые массы (обычно $m\gtrsim 10^{-21}$–$10^{-20}$ eV в большинстве анализов).
- Самовзаимодействующая ТМ (SIDM): с поперечным сечением $\sigma /m\sim 0.1$–$10$\,cm${}^2$/g может формировать ядра в карликовых галактиках; кластерные наблюдения и столкновения кластеров (Bullet Cluster) ставят верхние пределы $\sigma /m\lesssim 0.1$–$1$\,cm${}^2$/g на больших масштабах (зависит от скоростей).
- Визуальные и гравитационные линзовые эффекты (флюктуации потоков, малые гравитационные линзы) — мощные тесты наличия субгалактик; результаты сейчас в целом совместимы с CDM, но чувствительны к систематике.
Альтернативы тёмной энергии / модификации гравитации
- $\Lambda$ (космологическая постоянная): простейшее объяснение, хорошо согласуется с SNIa+BAO+CMB по геометрии ( $w\simeq -1$ ).
- Динамическая ТЭ (wCDM, quintessence): допускает $w\ne -1$; текущие ограничения вокруг $w=-1$ с погрешностью порядка нескольких процентов, но пространство моделей ещё открыто.
- Ранняя тёмная энергия (EDE): может повысить значение выводимого из CMB $H_0$, частично решая H0‑тензор (см. ниже), но требует точной настройки, чтобы не испортить акустические пики CMB и рост структуры.
- Взаимодействующая ТЭ/ТМ: потенциально меняет поздний рост структуры и может смягчить конфликты $H_0$ и $S_8$, но введение взаимодействий ограничено данными по росту структуры.
- Модифицированная гравитация (f(R), Horndeski и пр.): часть моделей может объяснить ускорение без ТЭ, но многие варианты сильно ограничены:
- скорость гравитации из GW170817 требует $c_T\simeq c$, что исключило/сильно сузило большую часть простых Хорндескиновых моделей;
- CMB, LSS и слабое линзирование накладывают жёсткие пределы на масштаб-зависимые модификации роста.
Ключевые противоречия (тензии)
- H0 tension: локальные измерения (Cepheids+SNe, масеры, время запаздывания линз) дают $H_0\sim 73$ km/s/Mpc, в то время как CMB (Planck, при $\Lambda$CDM) даёт $H_0\sim 67-68$ km/s/Mpc. Формально $\Delta H_0\sim 5-6$ km/s/Mpc — значимая (несколько $\sigma$) расхождение.
- S8 tension (рост структуры): слабое линзирование и некоторые кластерные подсчёты указывают на более низкое значение параметра $S_8={\sigma }_8\sqrt{{\Omega }_m/0.3}$ по сравнению с Planck; расхождение модератное, но устойчивое.
- Мелкомасштабные проблемы CDM: коры в центрах малых галактик, число спутников — возможно решаются барионной физикой (feedback), но часть наблюдений даёт пространство для альтернатив вроде WDM/SIDM.
- Конфликты, связанные с Lyman‑$\alpha$: сильно ограничивают решения, которые резко подавляют малые шкалы (тёплая/фuzzy ТМ).
Какие модели что решают и какие новые проблемы вводят
- EDE: улучшает согласованность с локальным $H_0$, но обычно повышает малые акустические пики CMB и может ухудшать согласие с ростом (S8).
- Взаимодействия в тёмной секции могут одновременно подвинуть $H_0$ и уменьшить рост структуры, но требуют тонкой настройки и новые параметры.
- WDM/fuzzy/SIDM: улучшают малые шкалы, но сталкиваются с сильными космологическими ограничениями (Lyman‑$\alpha$, CMB, кластеры).
Какие будущие наблюдения и измерения разрешат противоречия
- Улучшенные независимые измерения $H_0$:
- стандартные сирены (гравитационные волны + EM) с расширенной сетью детекторов; цель — точность $\lesssim$ несколько процентов;
- усовершенствованный локальный лестничный набор: TRGB, масеры, линзы с временными задержками.
- CMB нового поколения (Simons Observatory, CMB‑S4, будущие спутники): лучшее измерение мелких угловых шкал, поляризации и CMB‑линзирования — сильно сузит пространство EDE, массы нейтрино и параметры роста.
- Большие оптические/инфра‑ред обзоры (Rubin/LSST, Euclid, DESI): точные измерения BAO, RSD (рост структуры $f{\sigma }_8$), слабого линзирования — прямо тестируют $S_8$, масштаб‑зависимую гравитацию и модели взаимодействий.
- 21‑cm наблюдения (HERA, SKA): чувствительны к формированию первых структур и мелкомасштабной статистике — мощный тест WDM/fuzzy DM и EDE.
- Лес Лаймана с большей статистикой и улучшённой системой: окончательно ограничит модели, подавляющие малые шкалы.
- Сильное линзирование (включая микролинзы и наблюдения флуктуаций): выявление и статистика субгалактик — прямой тест наличия маломасштабных субструктур (CDM vs WDM).
- Прямые и косвенные детекторы ТМ (ADMX и др. для аксионов, прямые детекторы WIMP/слабовзаимодействующих частиц, индиректный поиск): найдут или исключат классы частиц.
- Улучшенные наблюдения галактической кинематики (карликовые галактики, звёздные потоки): тесты ядер/кор у темноконтурных профилей.
Краткий итог
- На больших масштабах и в геометрии $\Lambda$CDM остаётся лучшим описанием.
- Главные «входные» проблемы — $H_0$ и $S_8$ — либо указывают на систематики, либо на новую физику (EDE, взаимодействия, поздние изменения ТЭ).
- Маломасштабные несоответствия стимулируют альтернативы ТМ (WDM, fuzzy, SIDM), но космологические данные (особенно Lyman‑$\alpha$) сильно ограничивают многие из них.
- Решение придёт сочетанием: точных независимых $H_0$, улучшенных измерений роста структуры, 21‑cm/лес Лаймана для мелких шкал и прямых лабораторных тестов ТМ.