Краткая классификация гипотез
- Частицы: WIMP (термический замороз-оут), аксионы/ALP, стерильные нейтрино («тёплая» DM), самовзаимодействующая DM (SIDM), «freeze‑in» лёгкие частицы.
- Макро/барионные: MACHO — почти исключены на галактических масштабах.
- Модифицированная гравитация: MOND/TeVeS, ф(R), ДГП, массивная гравитация со скринингом (Vainshtein, chameleon).
- Тёмная энергия: вакуумная энергия (космологическая постоянная), динамическая квинтэссенция/фантом, модифицированная гравитация как источник ускорения.
Какие наблюдения и эксперименты могут различить модели (основные сигнатуры)
1) Прямое обнаружение частиц (вариант частицы DM)
- Прямые детекторы чувствительны к ядровым рекоилям (LZ, XENONnT, DARWIN, SuperCDMS). Положительная детекция однотонного сигнала энергии и распределения скоростей укажет на частицу DM; отсутствие сильно сужает WIMP‑параметры.
- Коллайдеры (LHC, будущие) ищут недостающий импульс ($E_T^{\mathrm{miss}}$) и специфические каналы — подтверждение быстрой термической истории или ограничение модели.
2) Косвенное детектирование (аннигиляция/распад)
- Гамма/рентген/античастицы (Fermi, CTA, AMS‑02): линии гамма‑излучения или спектральные особенности укажут на аннигиляцию/распад WIMP/стерильного нейтрино. Термальная скорость аннигиляции ориентирно $⟨\sigma v⟩\sim 3\times 10^{-26}{\mathrm{cm}}^3/s$.
- Рентген‑телескопы (XMM‑Newton, Chandra, XRISM, Athena) для линии $\sim 3.5$ keV — сигнал стерильных нейтрино.
3) Аксионы/ALP
- Галоскопы‑халоскопы (ADMX, HAYSTAC, MADMAX) — резонансная конверсия аксионов в микроволновое поле.
- Гелиоскопы (IAXO) и лабораторные эксперименты на фото‑конверсии.
4) Структура малых масштабов и кинематика галактик
- Лян‑альфа лес, 21‑cm, малые галактики: тёплая DM (стерильные ν) и «freeze‑in» подавляют маломасштабный спектр — измеряется путём мощности плотности при малых масштабах. Лоси‑пределы для тёплого DM находятся на уровне массы $\gtrsim$ некоторого keV (приблизительно единичные keV) — ограничение из Lyman‑α.
- SIDM меняет профиль ядер в галактиках и столкновениях скоплений (offset DM от звёзд в слияниях, Bullet Cluster ставит сильные ограничения на отсутствие сильных взаимодействий).
5) Гравитационное линзирование и субструктура
- Микролинзирование (OGLE, EROS) исключило большую долю MACHO; сильное линзирование и анализ времени задержки чувствительны к субгалактическим сабгалактикам — частицы DM предсказывают статистику субструктуры, модиф.гравитация — нет.
6) Тесты модифицированной гравитации
- Совместимость орбитальных/солнечных тестов (PPN), лунная лазерная локация, миссия Cassini — строгие локальные ограничения.
- Скорость гравитационных волн: событие GW170817 показало $c_g\approx c$, исключив целый класс модифицированных теорий тёмной энергии.
- Сравнение истории расширения $H(z)$ и роста структур: рост характеризуется $f\equiv d\ln D/d\ln a$, наблюдается через $f{\sigma }_8(z)$. Модифицированная гравитация обычно меняет связь между $H(z)$ и $f(z)$ и даёт гравитационный «slip» $\eta =\Phi /\Psi \ne 1$. Комбинация слабого линзирования + краснозсниж. наблюдений различает DE и MG.
7) Тёмная энергия: постоянная vs динамическая
- Параметризация EOS: $w(a)=w_0+w_a(1-a)$ (CPL). Космологическая постоянная: $w\equiv -1$. Квинтэссенция: $w>-1$ и обычно меняется с $z$; фантом: $w<-1$.
- Достоверное отклонение $w$ от $-1$ или обнаружение редкой временной эволюции укажет на динамическую DE; измерения SNe, BAO, CMB, стандарные сирены (LIGO/Virgo/KAGRA, будущие LISA) и красновые дрейфовые эксперименты (Sandage‑Loeb) — ключевые.
8) Гравитационные волны как тест
- Измерение расхождения люмин. расстояний для ГВ и электромагн. сигналов ( $d_L^{\mathrm{GW}}$ vs $d_L^{\mathrm{EM}}$ ) — в MG может быть различие, это мощный discriminator.
Как установление природы тёмных компонент повлияет на космологию происхождения и будущего Вселенной
- Происхождение Вселенной / ранняя вселенная:
- WIMP‑вариант → термическая история с freeze‑out, задаёт эпоху, когда DM был в равновесии; требования на популяцию DM влияют на температуру разогрева и возможные каналы для барионогенеза/сверхсимметрию.
- Freeze‑in/аксионы/стерильные ν → иные механизмы производства (не обязательно горячая термодинамика), разные требования на инфляцию, переохлаждение и лептогенез.
- Наличие существенных взаимодействий DM ↔ SM или самовзаимодействий влияет на реонизацию и 21‑cm сигнал (ограничения из EDGES/HERA/SKA).
- Формирование структур:
- «Холодная» частичная DM (CDM) → образует иерархическую структуру: ожидаются субгалактики; «тёплая» или самовзаимодействующая DM изменят внутреннюю структуру галактик, решая проблемы «core‑cusp» и «too‑big‑to‑fail».
- Модифицированная гравитация заменяет DM в объяснении динамики галактик, но обычно испытывает трудности с реликтовым CMB и кластерной динамикой; её успех или провал радикально изменит теорию гравитации и интерпретацию ранних эпох.
- Судьба Вселенной:
- Вакуумная энергия ($w=-1$) → вечное ускорение, асимптотическая де‑Ситтерова стадия, наличие космологического горизонта и потеря будущей наблюдаемой информации.
- Квинтэссенция ($w>-1$ и меняющаяся) → возможна замедление ускорения или выход на другой режим в будущем; судьба зависит от потенциала поля.
- Фантом ($w<-1$) → может привести к «Big Rip» через конечное время.
- Модифицированная гравитация → может изменить глобальную динамику: отсутствие окончательного де‑Ситтера или даже возможный рецесс/коллапс при некоторых моделях.
Итог — какие измерения являются решающими в ближайшие годы
- Прямые детекторы (LZ, XENONnT → DARWIN) и ADMX/MADMAX по аксионам.
- Косвенные сигналы (CTA, Fermi, AMS) и высокочувствительная рентген‑астрономия (Athena, XRISM).
- Все‑небесные миссии по слабому линзированию и галактической структуре (Euclid, Rubin/LSST, DESI) + 21‑cm (HERA, SKA).
- Гравволновые «стандарные сирены» и дальнейшие тесты скорости грав. волн (LISA, третье поколение).
- Локальные тесты гравитации и лабораторные эксперименты для скрининговых механизмов.
Коротко: обнаружение частиц (прямое/коллайдерное/косвенное) однозначно укажет на частичную DM и уточнит раннюю термальную историю; обнаружение аксионного сигнала — другой класс происхождения; несоответствие между ростом структуры и расширением, или различия $d_L^{\mathrm{GW}}$ vs $d_L^{\mathrm{EM}}$, укажут на модифицированную гравитацию как замену или дополнение DE. Конечный вывод радикально повлияет на модели происхождения Вселенной (парадигмы производства DM, инфляция, барионогенез) и определит её будущее (вечный де‑Ситтер, замедление, Big Rip или иная динамика).