Альтернатива Тёмной Материи: Сможет ли MOND объяснить крупномасштабную структуру Вселенной?

Автор: Денис Аветисян

Новые крупномасштабные симуляции модели νHDM, предлагающей альтернативу теории тёмной материи, не подтверждают её способность разрешить космологические противоречия и, напротив, предсказывают избыточное образование структур.

Эволюция средней скорости частиц в зависимости от космологического масштаба демонстрирует отклонения от предсказаний ньютоновской теории без тёмной энергии, особенно при переходе в режим Монда на отметке <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z=50</span> и эпохе равенства материи и тёмной энергии, что указывает на сложность понимания динамики Вселенной и необходимость пересмотра существующих космологических моделей. — Эволюция средней скорости частиц в зависимости от космологического масштаба демонстрирует отклонения от предсказаний ньютоновской теории без тёмной энергии, особенно при переходе в режим Монда на отметке $z=50$ и эпохе равенства материи и тёмной энергии, что указывает на сложность понимания динамики Вселенной и необходимость пересмотра существующих космологических моделей.

Космологическое моделирование ννHDM показывает, что данная модель маловероятна как жизнеспособная альтернатива ΛCDM.

Несмотря на успех ΛCDM модели в объяснении многих космологических наблюдений, остаются нерешенные вопросы, связанные с темной материей и ускоренным расширением Вселенной. В данной работе, озаглавленной ‘How does a MOND cosmology fare on Gpc scales? — Collisionless $N$-body simulations of νHDM’, представлены масштабные $N$-body симуляции модели νHDM в рамках модифицированной ньютоновской динамики (MOND). Полученные результаты указывают на то, что данная модель демонстрирует избыточное образование крупномасштабных структур и не способна разрешить напряженность Хаббла, ставя под сомнение ее жизнеспособность как альтернативу стандартной космологической модели. Каким образом можно модифицировать или дополнить MOND модели, чтобы добиться лучшего соответствия наблюдательным данным и решить существующие космологические проблемы?

Космические Расхождения: Вызов Стандартной Модели

Несмотря на впечатляющие успехи в объяснении многих аспектов Вселенной, ΛCDM модель — стандартная космологическая модель, описывающая эволюцию Вселенной — сталкивается с возрастающими трудностями при согласовании с наблюдаемыми крупномасштабными структурами и динамикой. Наблюдения за распределением галактик и скоплений галактик выявляют отклонения от предсказаний модели, особенно в отношении формирования самых больших структур во Вселенной. Эти расхождения указывают на возможное несоответствие в понимании темной материи и темной энергии, составляющих большую часть Вселенной, и заставляют ученых искать новые физические процессы или модификации существующей модели, чтобы более точно описать наблюдаемую космологическую картину. Например, некоторые исследования предполагают, что свойства темной материи могут быть более сложными, чем предполагалось ранее, или что необходимы добавления к стандартной модели гравитации для объяснения наблюдаемых явлений.

Измерения постоянной Хаббла, описывающей скорость расширения Вселенной, демонстрируют растущее несоответствие, известное как “напряжение Хаббла”. Различные методы определения этой фундаментальной константы, основанные на наблюдениях за сверхновыми и реликтовым излучением, дают существенно различающиеся результаты. В частности, локальные измерения, использующие сверхновые как “стандартные свечи”, указывают на более высокую скорость расширения, чем предсказывает космологическая модель ΛCDM, основанная на наблюдениях за космическим микроволновым фоном. Это расхождение не является следствием статистической погрешности и продолжает усиливаться с повышением точности измерений. Такое противоречие может указывать на необходимость пересмотра стандартной космологической модели или на существование новой физики, выходящей за рамки нашего текущего понимания Вселенной, например, на наличие темной энергии с более сложными свойствами или на модификации общей теории относительности.

Наблюдения за скоплениями галактик, таких как Эль Гордо, представляют собой серьезные вызовы для современной космологической модели. Этот массивный объект, образовавшийся в результате столкновения двух крупных скоплений, демонстрирует распределение массы, которое не согласуется с предсказаниями стандартной модели. В частности, наблюдаемое смещение между распределением горячего газа, определяемым рентгеновским излучением, и распределением темной материи, выведенным из гравитационного линзирования, указывает на отклонение от ожидаемого поведения. Анализ столкновения Эль Гордо предполагает, что взаимодействие темной материи и обычного вещества может быть более сложным, чем предполагалось ранее, или что необходимы модификации в нашем понимании гравитации на больших масштабах. Данные, полученные от этого и других подобных скоплений, стимулируют дальнейшие исследования, направленные на уточнение свойств темной материи и проверку фундаментальных основ космологической модели.

Моделирование ΛCDM, ΛHDM, <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\nu\nu</span>CDM и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\nu\nu</span>HDM показывает, что замена темной материи на горячую темную материю и переход от общей теории относительности к MOND увеличивают максимальный кажущийся диполь Хаббла, однако ни одна из симуляций не может воспроизвести величину, наблюдаемую Migka et al. (2021), и подтвердить анти-выравнивание между диполем Хаббла и потоком вещества. — Моделирование ΛCDM, ΛHDM, $\nu\nu$ CDM и $\nu\nu$ HDM показывает, что замена темной материи на горячую темную материю и переход от общей теории относительности к MOND увеличивают максимальный кажущийся диполь Хаббла, однако ни одна из симуляций не может воспроизвести величину, наблюдаемую Migka et al. (2021), и подтвердить анти-выравнивание между диполем Хаббла и потоком вещества.

MOND и Горячая Тёмная Материя: Новый Подход

Модифицированная Ньютоновская динамика (MOND) представляет собой альтернативную теорию гравитации, предполагающую отклонение от ньютоновской гравитации при очень малых ускорениях, порядка $10^{-{10}} \text{м/с}^2$ . Основная гипотеза заключается в том, что при этих низких ускорениях гравитационная сила становится сильнее, чем предсказывается классической теорией. Это изменение, сформулированное в виде нелинейного уравнения, потенциально позволяет объяснить наблюдаемые кривые вращения галактик без необходимости постулировать существование значительного количества невидимой темной материи. MOND не является теорией темной материи, а скорее модификацией закона гравитации, стремящейся объяснить аномалии во вращении галактик, наблюдаемые без учета темной материи.

Модель NuNuHDM представляет собой космологическую структуру, объединяющую модифицированную ньютоновскую динамику (MOND) с концепцией горячей темной материи, представленной стерильными нейтрино. В рамках этой модели, MOND объясняет динамику галактик на больших масштабах, устраняя необходимость в большом количестве невидимой материи. Стерильные нейтрино, обладающие малой массой и высокой скоростью, выступают в роли горячей темной материи, влияющей на формирование крупномасштабной структуры Вселенной. Комбинация этих двух компонентов позволяет построить космологическую модель, альтернативную стандартной ΛCDM модели, и исследовать возможность объяснения наблюдаемых астрофизических явлений без привлечения холодной темной материи в ее традиционном понимании.

Модель NuNuHDM использует свойства стерильных нейтрино, рассматриваемых как горячая тёмная материя, для решения потенциальных проблем в формировании крупномасштабной структуры Вселенной и несоответствия Хаббла. Предполагалось, что более высокая скорость рассеяния стерильных нейтрино, по сравнению с холодной тёмной материей, может сгладить избыточное образование маломасштабных структур, наблюдаемое в стандартной космологической модели. Однако, детальный анализ показал, что данная модель не способна одновременно удовлетворить ограничения, накладываемые как наблюдениями за космическим микроволновым фоном, так и данными о крупномасштабной структуре, и не позволяет существенно уменьшить напряженность Хаббла, что делает её несостоятельной в качестве жизнеспособного решения указанных космологических проблем.

Сравнение кумулятивной функции масс гало <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z=0</span> для различных симуляций показывает, что ΛCDM хорошо соответствует наблюдаемым данным на высоких массах, в то время как симуляции ΛHDM и MOND склонны к избыточному образованию крупных структур, при этом минимальная масса гало в симуляциях MOND выше из-за использования ньютоновских динамических масс (Уравнение 17). — Сравнение кумулятивной функции масс гало $z=0$ для различных симуляций показывает, что ΛCDM хорошо соответствует наблюдаемым данным на высоких массах, в то время как симуляции ΛHDM и MOND склонны к избыточному образованию крупных структур, при этом минимальная масса гало в симуляциях MOND выше из-за использования ньютоновских динамических масс (Уравнение 17).

Моделирование Вселенной: Методы и Реализация

Для моделирования формирования и эволюции космических структур используются N-частичные симуляции, известные как NNBody Simulations. В данном методе гравитационное взаимодействие между частицами рассчитывается численно, позволяя отслеживать движение и распределение материи во Вселенной со временем. В симуляциях рассматриваются частицы, представляющие собой темную материю и барионную материю, и их эволюция определяется исключительно гравитацией, поскольку столкновения между частицами пренебрежимо малы. Этот подход позволяет исследовать формирование крупномасштабной структуры Вселенной, включая галактики, скопления галактик и космические пустоты, на основе исходных флуктуаций плотности, заданных в начальных условиях.

Для идентификации гало из темной материи в ходе моделирования используются алгоритмы HOP (Hierarchical Overdensity Peak-finding). Этот метод позволяет выявлять области повышенной плотности, которые рассматриваются как потенциальные гало. Для последующего детального анализа структуры и свойств этих гало применяется инструмент Extract_por. Он обеспечивает извлечение данных о радиальном профиле плотности, массе, энергии и других ключевых параметрах, необходимых для изучения эволюции космических структур и проверки теоретических моделей формирования галактик и скоплений.

Для повышения вычислительной эффективности при моделировании гравитационных взаимодействий используется метод Tree Code. Симуляции проводятся в кубическом объеме размером 800/h x 800/h x 800/h Mpc, используя $256^3$ частиц. Данный подход позволяет снизить вычислительную сложность с $O(N^2)$ до $O(N log N)$ , где N — количество частиц, за счет группировки удаленных частиц в более крупные ячейки, что существенно ускоряет расчеты гравитационных сил.

Визуализация плотности материи в плоскости z=0 показывает, что различные модели космологии (ΛCDM, ΛHDM, νCDM, νHDM) предсказывают различные распределения материи, представленные логарифмической цветовой шкалой.

Проверка Модели: Структуры и Предсказания

Результаты моделирования показывают, что модель ννHDM предсказывает формирование крупных пустот, подобных Пустоте KBC, что согласуется с наблюдаемыми данными. В частности, симуляции демонстрируют, что данная модель способна воспроизводить распределение материи, характеризующееся наличием обширных областей с низкой плотностью, аналогичных наблюдаемой структуре Пустоты KBC, расположенной в созвездии Волосы Вероники. Проведенный анализ показывает соответствие предсказанных размеров и формы пустот наблюдаемым значениям, что указывает на потенциальную жизнеспособность модели ννHDM в объяснении крупномасштабной структуры Вселенной.

Анализ кумулятивной функции масс гало (CHMF) показал, что модели HDM и MOND предсказывают избыточное количество крупных структур по сравнению с наблюдаемыми данными. В частности, наблюдается перепроизводство гало с высокой массой. Модель ΛCDM демонстрирует наилучшее соответствие наблюдаемым данным на участке высоких масс, в то время как HDM и MOND значительно отклоняются от наблюдаемой функции CHMF, указывая на несоответствие этих моделей текущим космологическим данным. Отклонение выражается в более крутом наклоне кривой CHMF для HDM и MOND по сравнению с ΛCDM и наблюдениями.

Анализ крупномасштабного когерентного движения галактик, выполненный с использованием Bulk Flow Analysis, показал, что модель ννHDM исключена с доверительной вероятностью более 5σ. Наблюдаемые скорости и форма кривой Bulk Flow значительно отличаются от предсказаний модели: ννHDM демонстрирует существенное завышение этих параметров, примерно на порядок величины превышая значения, полученные на основе наблюдений группы Локального Сверхскопления. Данные результаты свидетельствуют о несоответствии модели ννHDM наблюдаемой кинематике крупномасштабной структуры Вселенной.

Сравнение средних потоков материи в различных космологических моделях (ΛCDM, ΛHDM, νCDM, νHDM) показывает, что модель ΛCDM недооценивает величину потоков на больших радиусах, в то время как MOND переоценивает их на малых, а ΛHDM демонстрирует соответствие с наблюдаемыми данными.

Значение и Перспективы

Изначально предполагалось, что модель NuNuHDM, основанная на взаимодействии нейтрино, сможет решить проблему несоответствия между локальными измерениями скорости расширения Вселенной и предсказаниями, основанными на космическом микроволновом фоне — так называемое напряжение Хаббла. Однако, проведенные исследования показали обратное: модель не только не смягчает это несоответствие, но и усугубляет существующие трудности в объяснении формирования крупномасштабной структуры Вселенной. В частности, введение дополнительной горячей тёмной материи, необходимое для работы модели, приводит к подавлению роста структур, что противоречит наблюдаемым данным о распределении галактик и скоплений галактик. Таким образом, NuNuHDM, несмотря на свою теоретическую привлекательность, не является жизнеспособной альтернативой стандартной ΛCDM модели, и требует дальнейшей переоценки.

Включение концепций горячей тёмной материи и модифицированной гравитации позволяет получить более детальное представление о формировании космических структур. Исследования показывают, что стандартная ΛCDM-модель, несмотря на свою успешность, сталкивается с определенными трудностями в объяснении некоторых наблюдаемых феноменов. Попытки найти альтернативные модели, такие как ννHDM, не привели к однозначным результатам и часто усугубляют существующие проблемы. Это подчеркивает сложность задачи создания космологической модели, которая бы полностью соответствовала всем наблюдательным данным и одновременно решала проблему напряженности Хаббла. Дальнейшие исследования в этой области требуют комплексного подхода и учета различных физических факторов, влияющих на эволюцию Вселенной.

Дальнейшие исследования будут сосредоточены на уточнении параметров модели ννHDM и сопоставлении её предсказаний с постоянно совершенствующимися данными наблюдений. Несмотря на эти усилия, полученные результаты указывают на то, что данная модель вряд ли сможет стать жизнеспособной альтернативой стандартной ΛCDM-модели, и требует дальнейшей переоценки. Ключевым направлением станет более детальное изучение влияния различных параметров на формирование крупномасштабной структуры Вселенной, а также проверка устойчивости модели к новым, более точным измерениям космологических параметров, таким как постоянная Хаббла и флуктуации космического микроволнового фона. Хотя ννHDM и не решает существующие проблемы, анализ её недостатков способствует лучшему пониманию фундаментальных аспектов космологии и направляет поиск более адекватных теоретических моделей.

Симуляции моделей ΛCDM, ΛHDM, νCDM и νHDM редко воспроизводят наблюдаемое выравнивание (или антивыравнивание, при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\cos\\theta = -1</span>) между направлением потока материи до 200/h Mpc и кажущимся диполем Хаббла на расстоянии 350/h Mpc, что подтверждается сравнением с данными наблюдений (Migkaset al., 2021; Watkinset al., 2023). — Симуляции моделей ΛCDM, ΛHDM, νCDM и νHDM редко воспроизводят наблюдаемое выравнивание (или антивыравнивание, при $\cos\\theta = -1$ ) между направлением потока материи до 200/h Mpc и кажущимся диполем Хаббла на расстоянии 350/h Mpc, что подтверждается сравнением с данными наблюдений (Migkaset al., 2021; Watkinset al., 2023).

Исследование, представленное в данной работе, углубляется в сложные вопросы формирования крупномасштабной структуры Вселенной, используя моделирование столкновений частиц в рамках ννHDM. Результаты, демонстрирующие несоответствие между предсказаниями модели и наблюдаемыми данными, подчеркивают хрупкость теоретических построений перед лицом экспериментальной проверки. Как однажды заметил Игорь Тамм: «В науке нет ничего абсолютного, всё подвержено пересмотру». Эта фраза особенно актуальна в контексте космологических исследований, где текущие теории квантовой гравитации предполагают, что внутри горизонта событий пространство-время перестаёт иметь классическую структуру. Неспособность ννHDM разрешить космологические напряжения и избыточная плотность формируемых структур свидетельствуют о необходимости дальнейших поисков и переосмысления фундаментальных принципов, лежащих в основе нашего понимания Вселенной.

Что же дальше?

Представленные симуляции ννHDM, несмотря на свою сложность, лишь добавляют ещё один слой к уже существующей мозаике нерешённых проблем. Попытка согласовать теоретические модели с наблюдаемой Вселенной напоминает попытку удержать свет в ладони — каждый расчёт, каждая симуляция — это лишь приближение, которое, несомненно, окажется неточным с появлением новых данных. Наблюдаемое перепроизводство структуры, несостоятельность в разрешении космологических напряжений… это не провал конкретной модели, а скорее напоминание о хрупкости любого здания, возведённого на песке предположений.

Очевидно, что поиск альтернатив ΛCDM не должен ограничиваться лишь модификацией тёмной материи. Возможно, истина лежит в переосмыслении самой гравитации, в отказе от тех фундаментальных принципов, которые кажутся нам незыблемыми. Однако, стоит помнить, что каждая новая теория — это всего лишь ещё один способ описать наблюдаемое, а не обязательно приближение к истине.

В конечном итоге, задача космолога — не найти окончательный ответ, а продолжать задавать вопросы, подвергать сомнению существующие парадигмы и признавать, что горизонт событий нашего понимания всегда будет лежать где-то впереди. И в этом, возможно, и заключается истинная красота науки.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.21975.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-26 21:34