Найденные учеными КФУ решения помогут исследовать природу темной энергии

Исследование анизотропной однородной космологической модели с глобальным магнитным полем в теории гравитации с неминимальной кинетической связью (НКС) между скалярным полем и кривизной провела научная группа специалистов Казанского федерального университета (КФУ), 2 июня сообщает пресс-служба вуза.

Перед учеными Института физики (ИФ) и кафедры высшей математики КФУ стояла задача, выяснить, насколько реалистично данная модель может описать ранние периоды эволюции Вселенной — до и во время первичной инфляции, когда она расширялась с огромной скоростью, превышающей скорость света (приблизительно с 10^{(-43) до 10}(-37) секунды).

Результаты исследования, которые помогли ученым найти новые космологические решения, они представили в статье «Точные космологические решения с магнитным полем в теории гравитации с неминимальной кинетической связью» (Exact cosmological solutions with magnetic field in the theory of gravity with non-minimal kinetic coupling), опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Доцент кафедры теории относительности и гравитации ИФ КФУ Руслан Мухарлямов пояснил решаемую научным коллективом задачу:

«Особенности наблюдательных данных реликтового излучения могут быть объяснены существованием в прошлом анизотропной стадии эволюции Вселенной. С другой стороны, для соответствия характеру протекания хорошо изученных процессов в более поздние времена, например первичного нуклеосинтеза, предлагаемые модели должны описывать достаточно быстрый переход Вселенной к изотропному состоянию. Поэтому одна из важных целей — это изучение процесса изотропизации в рамках модели».

Наличие магнитного поля на различных масштабах Вселенной было установлено наблюдениями астрофизиков. Существует гипотеза, согласно которой крупномасштабное магнитное поле могло возникнуть до нуклеосинтеза и даже до инфляции. Ученые КФУ должны были в своем исследовании определить степень влияния магнитного поля на феномен космического ускорения и масштаб воздействия НКС на свойства магнитного поля.

В своей работе ученые применили классические методы математической физики, теории поля, ковариантной электродинамики и теории гравитации.

«Изотропная космологическая модель с неминимальной кинетической связью может описывать первичную инфляцию, однако в анизотропных моделях с магнитным полем этот вопрос оставался открытым. Мы ставили себе задачу выяснить, как анизотропия пространства–времени влияет на временные рамки первичной инфляции — возможно ли смещение начала первичной инфляции на неприемлемый период времени или ее подавление», — уточнил доцент КФУ.

Руслан Мухарлямов добавил, что в их задачи также входило определение ограничений на параметры исследуемой модели, при которых расширение пространства-времени протекает ускоренно, устойчиво и изотропно (одинаково по всем направлениям). Это было необходимо, поскольку в этой модели, построенной на основе теории гравитации с НКС и являющейся подклассом скалярно-тензорной теории гравитации Хорндески, вопрос устойчивости решений полевых уравнений является нетривиальным.

«В отличие от общей теории относительности в рамках неминимальной кинетической связи, плотность энергии магнитного поля не имеет сингулярности в начальный момент. В зависимости от значений параметров модели свойства решений принципиально различны. Например, найдено решение, описывающее сжимающуюся в точку Вселенную, или решение без изотропизации», — объясняет Мухарлямов найденные ими новые точные космологические решения.

Наиболее жизнеспособное решение из найденных описывает расширяющуюся Вселенную, в том числе ранний вход в фазу ускоренного расширения, изменение уровня анизотропии в ограниченной области, быструю изотропизацию. «В асимптотическом приближении модель не содержит духов и неустойчивостей Лапласа», — указал ученый.

Проведенный анализ результатов показал, что в рамках НКС скалярное поле изменяет характер магнитного поля, а оно более доступно для непосредственного наблюдения. Поэтому совместное рассмотрение магнитного и скалярного поля в модифицированных теориях гравитации, в том числе теории гравитации с НКС, может значительно расширить возможности понимания и интерпретации данных наблюдений темного сектора Вселенной, заключил Руслан Мухарлямов.

Результаты анализа ранее не изучавшейся космологической модели взаимодействия магнитного, скалярного и гравитационного полей, полученные учеными КФУ, могут быть использованы для интерпретации космологических наблюдений.