Проект РФФИ № 20-02-00280 А

В 2022 г. сотрудниками Лаборатории гравитации, космологии и астрофизики выполнялись научные исследования по проекту «Космологическая инфляция и первичные гравитационные волны в модифицированных теориях гравитации», поддержанному грантом РФФИ № 20-02-00280 А.

Основные результаты, полученные в ходе исследований

При реализации целей и задач проекта были предложены новые методы построения и анализа космологических моделей на основе различных модификаций теории гравитации Эйнштейна: скалярно-тензорной гравитации, гравитации Эйнштейна-Гаусса-Бонне,  f(R)-гравитации, теорий гравитации с высшими производными по кривизне и т.д. Также были рассмотрены мультиполевые киральные модели в качестве основы анализа космологических моделей и моделей астрофизических объектов.

Предложен принцип построения феноменологически корректных моделей космологической инфляции на основе модифицированных теорий гравитации, в рамках которого соответствие наблюдательным данным происходит не за счет выбора параметров моделей, а на основе определенных соотношений между произвольными параметрами, в контексте которого были получены модельно-независимые оценки характеристик реликтовых гравитационных волн в настоящую эпоху.

Для рассматриваемых космологических моделей получены спектры мощности реликтовых гравитационных волн с учетом модификаций гравитации Эйнштейна, наличия возможной дополнительной эпохи между завершением космологической инфляции и стадией преобладания излучения (стадии преобладания «жесткой» энергии), также на основе ограничений на характеристики реликтовых гравитационных волн по измерениям анизотропии и поляризации реликтового излучения, влияния реликтовых гравитационных волн на темп первичного нуклеозинтеза и отсутствия наблюдений гравитационных волн космологического генезиса действующими гравитационно-волновыми детекторами.

Отмечено, что максимальной плотности энергии реликтовых гравитационных волн соответствуют частоты f=10⁵-10⁷ Гц, однако чувствительность существующих детекторов высокочастотных гравитационных волн существенно ниже, чем проектируемых детекторов низкочастотных гравитационных волн, таких как LISA, DECIGO и т.д. (с наилучшей чувствительностью на частотах f=10^-1-10^-3 Гц). Также было показано, что для космологических моделей с дополнительной преобладания «жесткой» энергии на основе модифицированных теорий гравитации наблюдение низкочастотных реликтовых гравитационных волн f=10^-1-10^-3 Гц возможно посредством перспективных детекторов (LISA, DECIGO и т.д.). Также отмечено, что требуется значительное улучшение чувствительности детекторов гравитационных волн в диапазоне частот f=10⁵-10⁷ Гц для непосредственной проверки рассмотренных космологических моделей путем регистрации высокочастотных гравитационных волн.

Предложена новая феноменологическую модель возникновения динамического эфира в результате распада конфигурации SU(N) симметричного поля, содержащего мультиплет векторных полей. Сценарий перехода к динамическому эфиру, который характеризуется единичным времениподобным векторным полем, связанным со скоростью эфира, основан на идее спонтанной цветовой поляризации, аналогичной спонтанной электрической поляризации в сегнетоэлектрических материалах. Механизм спонтанной цветовой поляризации описан в рамках анизотропной космологической модели типа Бьянки-I.

Создана нелинейная версия SU(N) симметричной теории, которая описывает взаимодействие между гравитационным, калибровочным, векторным и псевдоскалярным (аксионным) полями. В контексте этой теории SU(N) симметричный мультиплет векторных полей ассоциируется с цветным эфиром, распад которого в ранней Вселенной породил канонический динамический эфир и аксионную темную материю.

В рамках аксионно-эфирного расширения теории Эйнштейна-Дирака рассмотрен квартет взаимодействующих космических полей, который включает динамический эфир, аксионную темную материю, спинорное поле и гравитационное поле. Решена полная система уравнений модели; найдены точные решения. На основании этих решениях получено выражения для эффективной массы спинорных частиц, взаимодействующих с аксионной темной материей и динамическим эфиром. Показано, что эта эффективная масса несет на себе отпечаток космологической эпохи и состояния космической темной жидкости в эту эпоху.

Создана программа для ЭВМ «COSMOLOGY-NSM» (Журавлев В.М., Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020663217 «COSMOLOGY-NSM»), которая предназначена для вычисления и визуализации эволюции космологических параметров однородной Вселенной, заполненной двумя скалярными полями, образующими нелинейную сигма модель общего вида с произвольной функциональной зависимостью потенциала самодействия полей V(ϕ,ψ) и метрических компонент кирального пространства полей. Используя эту программу исследована динамика двух-компонентной киральной космологической модели в пространственно-плоской Вселенной Фридмана. Предложена классификация критических точек для киральных моделей. Доказано существование новых критических точек динамической системы за счет нулей киральной метрики. Построены примеры решения для некоторых физически значимых потенциалов и различных метрических компонент пространства целей.

Также в рамках проекта для анализа космологических моделей впервые был применен метод многомасштабных разложений, позволяющий проводить аналитические приближенные расчеты, учитывающие физические масштабы по скорости протекания исследуемых процессов.