Гравитационные аномалии во Вселенной представляют собой отклонения от ожидаемого поведения гравитационных сил, основанного на наблюдаемом распределении видимой материи. Эти аномалии привели к двум революционным открытиям в космологии: существованию тёмной материи и тёмной энергии, которые вместе составляют около 95% всего содержимого Вселенной.
Кривые вращения галактик представляют собой первое и наиболее убедительное свидетельство гравитационных аномалий. В 1970-х годах астрономы Вера Рубин и Кент Форд обнаружили, что звёзды во внешних частях спиральных галактик движутся значительно быстрее, чем предсказывает ньютоновская механика, основанная на наблюдаемой массе звёзд и газа. Вместо ожидаемого кеплеровского убывания скорости с расстоянием кривые вращения остаются плоскими на больших радиусах.
Это открытие указывает на присутствие невидимых массивных гало, окружающих галактики. Тёмная материя в этих гало превышает массу видимого вещества в 5-6 раз и определяет динамику галактик. Компьютерное моделирование показывает, что без тёмной материи галактики не могли бы сформироваться в наблюдаемых масштабах за время существования Вселенной.
Скопления галактик демонстрируют ещё более драматические гравитационные аномалии. Дисперсия скоростей галактик в скоплениях указывает на общую массу, в 10-20 раз превышающую массу видимых звёзд. Рентгеновские наблюдения горячего межгалактического газа подтверждают эти оценки массы. Скопления галактик удерживаются вместе в основном гравитацией тёмной материи.
Гравитационное линзирование предоставляет независимый способ измерения массы космических структур. Слабое линзирование фоновых галактик позволяет картографировать распределение тёмной материи без предположений о её природе. Эти карты показывают, что тёмная материя образует филаментарную структуру — космическую паутину, в узлах которой формируются галактики и скопления.
Тёмная энергия проявляется через гравитационную аномалию космологического масштаба — ускоренное расширение Вселенной. Наблюдения далёких сверхновых типа Ia в конце 1990-х годов показали, что расширение Вселенной не замедляется под действием гравитации, как ожидалось, а ускоряется. Это открытие потребовало введения нового компонента — тёмной энергии с отрицательным давлением.
Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) предлагает альтернативное объяснение гравитационных аномалий через изменение самих законов гравитации при очень малых ускорениях. Теория MOND успешно объясняет кривые вращения галактик без введения тёмной материи, но сталкивается с трудностями при описании скоплений галактик и крупномасштабной структуры Вселенной.
Современные исследования гравитационных аномалий включают прямые поиски частиц тёмной материи в подземных лабораториях, изучение аннигиляции тёмной материи через гамма-излучение и попытки понять природу тёмной энергии через наблюдения сверхновых, барионных акустических осцилляций и космического микроволнового фона.
Проблема совпадения — почему плотности тёмной материи и тёмной энергии сравнимы именно в современную эпоху — остаётся одной из глубочайших загадок космологии. Решение этой проблемы может потребовать принципиально новых физических концепций, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц и общей теории относительности.