Реальна ли темная материя? Новый претендент со стороны гравитации

Когда недостающая масса становится загадкой

7 февраля 2026 года волна публикаций и новое техническое предложение вернули старый вопрос в заголовки СМИ: реальна ли тёмная материя? — эта теория предполагает: могут ли эффекты, которые мы приписываем обширной популяции невидимых частиц, вместо этого создаваться гравитацией, ведущей себя странно на больших масштабах? Новая идея представляет собой современную переработку концепций альтернативной гравитации и отдельного направления работ, использующего «искривлённое» пятое измерение для сокрытия фермионов от наших детекторов; оба подхода заставляют заново и непредвзято взглянуть на данные, которые изначально сделали тёмную материю теорией по умолчанию.

Теория «реальна ли тёмная материя?»: альтернатива с приоритетом гравитации

Эмпирическая отправная точка проста и упряма. Начиная с измерений вращения галактик Веры Рубин и заканчивая высокоточными картами космического микроволнового фона, множественные независимые наблюдения фиксируют более сильное гравитационное притяжение, чем могут обеспечить обычные атомы. Стандартный ответ — и основной консенсус на протяжении четырёх десятилетий — это тёмная материя: несветящееся вещество, которое доминирует в энергетическом бюджете материи во Вселенной.

Тем не менее, предложения по модифицированной гравитации, в совокупности описываемые как альтернативы частицам тёмной материи, предлагают другой путь. Самым известным из них является модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которая корректирует связь между ускорением и силой при чрезвычайно малых ускорениях и может воспроизводить плоские кривые вращения многих спиральных галактик с меньшим количеством свободных параметров, чем наивные подгонки под модель тёмной материи. Модели типа MOND успешны на масштабах отдельных галактик, но сталкиваются с трудностями при других наблюдениях — в частности, при анализе распределения массы в скоплениях галактик, детальной структуры акустических пиков космического микроволнового фона (CMB) и формирования крупномасштабной структуры Вселенной.

Сторонники возрожденных подходов с приоритетом гравитации утверждают, что эти трудности не исключают категорически все модификации гравитации. Новые теоретические основы пытаются изменить силу или форму гравитации на определенных пространственных масштабах или добавить дополнительные гравитационные степени свободы, которые имитируют поведение тёмной материи при кластеризации без привлечения новых видов частиц. Эти модели должны быть настроены так, чтобы воспроизводить успехи Общей теории относительности на масштабах Солнечной системы, отклоняясь от неё только там, где данные указывают на несоответствие, что является жестким, но не невыполнимым ограничением.

Теория «реальна ли тёмная материя?» против моделей частиц

Альтернативой на другой стороне весов является гипотеза частиц: тёмная материя состоит из одного или нескольких новых видов частиц, которые крайне слабо взаимодействуют со светом и обычной материей. Эта концепция объясняет широкий спектр явлений одним теоретическим ходом: дополнительная масса в галактиках и скоплениях, наблюдаемые паттерны гравитационного линзирования, а также отпечаток, оставленный на реликтовом излучении и росте структур. Она также открывает прямые экспериментальные пути — прямое детектирование в подземных лабораториях, косвенное детектирование через сигналы распада или аннигиляции и попытки получения на коллайдерах.

На данный момент эти кампании по прямому поиску и эксперименты на коллайдерах не привели к решающему обнаружению, что оставляет дверь открытой для альтернатив. Недавняя теоретическая работа, упомянутая в подборке материалов, не просто корректирует гравитацию: другое направление воскрешает версию моделей типа Рэндалла — Сундрума конца 1990-х годов, в которых искривлённое дополнительное измерение вмещает «тёмный сектор». В этом сценарии, описанном в недавней исследовательской работе и адаптированном для широкой аудитории несколькими изданиями, обычные фермионы могут приобретать объемные массы, которые проявляются как долгоживущие реликты в дополнительном измерении. С нашей четырехмерной точки зрения эти реликты ведут себя как тёмная материя, но их фундаментальное происхождение является геометрическим, а не связано с новой стабильной частицей в трех пространственных измерениях Стандартной модели.

Чему в данный момент отдают предпочтение данные

Различные линии наблюдений имеют разный вес. Кривые вращения галактик и внутренняя динамика некоторых карликовых галактик — это те области, где модифицированная гравитация достигла наибольших успехов. С другой стороны, скопление Пуля и другие сталкивающиеся скопления галактик служат очень убедительным визуальным тестом: в этих бурных столкновениях основная часть видимого газа (излучающего в рентгеновском диапазоне) отделяется и замедляется, в то время как гравитационный потенциал, отслеживаемый с помощью слабого линзирования, оказывается смещен относительно барионной материи. Это смещение естественно объясняется, если большая часть массы сосредоточена в бесстолкновительных частицах, которые проходят сквозь друг друга — именно так вела бы себя тёмная материя из частиц — и его трудно воспроизвести с помощью единственной простой модификации гравитации.

Как искривлённое дополнительное измерение меняет ход дискуссии

Предложение об искривлённом дополнительном измерении (WED) объединяет элементы частиц тёмной материи и модифицированной гравитации. Оно рассматривает тёмный сектор как физически реальный, но расположенный в дополнительном пространственном «кармане», где его динамика подчиняется другим правилам. Такая архитектура может генерировать эффект тёмной материи в нашей наблюдаемой Вселенной, обходя при этом некоторые нулевые результаты прямых поисков, поскольку «тёмные реликты» не взаимодействуют с нашими детекторами обычным способом. Важно отметить, что авторы предложений WED указывают на детекторы гравитационных волн и предстоящие высокоточные космологические обзоры как на наиболее перспективные способы опровергнуть или подтвердить эту идею: реликты из дополнительных измерений должны влиять на формирование структур и могут оставить отпечатки в стохастическом фоне гравитационных волн или в статистике линзирования на определенных масштабах.

Как эксперименты могут решить, является ли тёмная материя частицей или модифицированной гравитацией

Существует несколько стратегий наблюдения, которые в совокупности могут разделить эти гипотезы.

• Тесты столкновений на масштабах скоплений: Большее количество сталкивающихся скоплений, подобных скоплению Пуля, наблюдаемых с помощью более глубокого рентгеновского картографирования и высококачественной реконструкции слабого линзирования, поможет выяснить, может ли гравитационный потенциал быть четко отделен от барионов — это сильный аргумент против простых объяснений через модифицированную гравитацию.
• Прецизионная космология: Поляризация реликтового излучения и обзоры галактик следующего поколения позволят точно определить время и скорость роста структур. Тёмная материя из частиц предсказывает определенную историю этого роста; многие модели модифицированной гравитации предсказывают иную зависимость роста от масштаба, которую можно проверить.
• Прямое и косвенное детектирование: Если подземные детекторы или гамма-телескопы зафиксируют однозначный сигнал частицы тёмной материи, это положит конец спорам. И наоборот, длительная серия нулевых результатов не докажет, что гравитация ошибочна, но заставит теоретиков искать модели частиц в других областях пространства параметров.
• Гравитационные волны и статистика линзирования: Предложения WED выделяют фон гравитационных волн и тонкие аномалии линзирования как потенциальные «прямые улики». LIGO/Virgo/KAGRA и будущие детекторы вместе с широкоугольными обзорами линзирования исследуют эти признаки.

Где модифицированная гравитация всё ещё сталкивается с трудностями

Большинство концепций модифицированной гравитации должны быть расширены или усложнены, чтобы удовлетворять ограничениям на нескольких масштабах одновременно. Часто они требуют новых полей или механизмов экранирования, чтобы уменьшить отклонения в Солнечной системе, создавая при этом значительные эффекты на галактических масштабах. Каждый дополнительный ингредиент рискует сделать теорию менее предсказательной, и именно поэтому многие космологи сохраняют осторожность, не спеша отказываться от концепции частиц тёмной материи без надежных независимых доказательств обратного.

Почему этот спор важен не только из-за названий

Это не просто академические тонкости. Результат определяет экспериментальную дорожную карту и фундаментальную физику, которую мы выводим в отношении фундаментальных сил, дополнительных измерений и ранней Вселенной. Если тёмная материя — это частица, это указывает на новую микрофизику за пределами Стандартной модели. Если же это возникающий эффект гравитации или геометрии дополнительных измерений, это подразумевает, что Общая теория относительности неполна определенным, поддающимся проверке образом — и это радикально изменит теоретическую физику.

На данный момент самая надежная научная позиция — плюралистическая: продолжать поиск частиц, одновременно разрабатывая и проверяя альтернативные гравитационные теории. Наступающее десятилетие принесет более точные карты линзирования, более полные каталоги скоплений, данные о фоне гравитационных волн и более чувствительные инструменты прямого детектирования — сочетание всего этого должно значительно сузить круг возможных объяснений.

Источники

• European Physical Journal C (исследовательская работа об искривлённых дополнительных измерениях и фермионной тёмной материи)
• Рэндалл — Сундрум (оригинальная модель искривлённого дополнительного измерения, 1999)
• Коллаборация Planck (наблюдения космического микроволнового фона)
• Коллаборации LIGO/Virgo/KAGRA (детекторы гравитационных волн)
• Институты и исследовательские группы в Испании и Германии, участвовавшие в недавнем исследовании WED