Актуальные проблемы астрофизики и космологии в современных моделях неэйнштейновской гравитации

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-12-00130

НазваниеАктуальные проблемы астрофизики и космологии в современных моделях неэйнштейновской гравитации

Руководитель Старобинский Алексей Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-601 - Теория поля и теория гравитации

Ключевые слова космология, темная энергия, инфляционная стадия, модифицированная гравитация, черные дыры, нейтронные звезды, кротовые норы, аксионы

Код ГРНТИ29.05.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние десятилетия наблюдательная астрофизика и космология переживают период бурного развития и получили множество новых результатов о структуре и эволюции Вселенной. В частности, с помощью систематического изучения сверхновых типа Ia, анализа структуры неоднородностей реликтового излучения, исследования барионных акустических осцилляций, а также изучения крупномасштабной структуры Вселенной было доказано, что Вселенная в настоящий момент расширяется с ускорением. В рамках эйнштейновской общей теории относительности ускоренное расширение находит объяснение, если только предположить, что Вселенная заполнена на 70% экзотической субстанцией, получившей название релятивистской темной энергии. Одновременно с этим колоссальные успехи наблюдательной космологии, достигнутые в последние 30 лет, в особенности окончательные результаты космической миссии Планк, появившиеся в 2018 г., успешно подтвердили такие ранее выдвинутые и разработанные космологические теоретические представления об истории нашей Вселенной как ее прохождение в прошлом через стадию горячего Большого Взрыва (включающую первичный космологический нуклеосинтез, рекомбинацию реликтового излучения и генерацию угловой анизотропии и поляризации реликтового излучения) и через предшествующую ей холодную квази-де-ситтеровскую (инфляционную) стадию, на которой вследствие квантово-гравитационных эффектов возникли пространственные неоднородности распределения материи, из которых к настоящему времени образовались галактики и все меньшие компактные объекты. Более того, оказалось, что физические свойства того эффективного вида материи, который необходим для поддержания инфляционной стадии в ранней Вселенной, замечательно качественно похожи на свойства темной энергии в современной Вселенной (поэтому естественно назвать его первичной темной энергией). Не менее фундаментальные результаты были достигнуты в астрофизике компактных релятивистских объектов - черных дыр и нейтронных звезд: была точно измерена масса сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики (объект Стрелец A*) по движению близких звезд вокруг нее, была получена наблюдательная картина тени сверхмассивной черной дыры в галактике M87, были открыты и исследованы процессы слияния черных дыр и нейтронных звезд в двойных системах по гравитационному (а во втором случае – и по сопутствующему электромагнитному) излучению от них. Наконец, было проверено, что скорость гравитационных волн с колоссальной точностью совпадает со скоростью света. В итоге стало ясно, что хотя того, что в теорию гравитации принес Эйнштейн - общую теорию относительности и космологическую постоянную, пока достаточно для объяснения всех имеющихся экспериментальных и наблюдательных данных, мы стоим перед фундаментальной альтернативой: для количественно правильного описания всех космологических открытий, включая первичную темную энергию (которая обязана быть нестабильной) и темную материю, необходим выход за рамки или Стандартной Модели элементарных частиц, или эйнштейновской гравитации (или и то, и другое вместе). Также стало актуальным сделать следующий шаг в прошлое нашей Вселенной: исследовать возможные варианты ее до-инфляционной истории и оставшиеся от нее артефакты. Поэтому такой выход в настоящее время является исключительно актуальным, и в этом области работает большое количество ведущих теоретических групп во всем мире. Наш проект также лежит в этом русле, а в качестве конкретных его направлений мы выбрали те, в которых участники проекта либо внесли пионерский вклад в их разработку, либо имеют большой задел на мировом уровне. Соответственно с этим, фундаментальная научная проблема, на решение которой нацелен проект, заключается в построении и отборе реалистичных космологических и астрофизических моделей в различных модифицированных (неэйнштейновских) теориях гравитации с целью получения хорошего соответствия теоретических результатов с современными наблюдательными данными. Она состоит из четырех отдельных направлений. 1. Построение нелокальных геометрических, т.е. зависящих только от кривизны пространства-времени, обобщений эйнштейновской гравитации, которые вытекают из учета квантово-гравитационных поправок (в частности тех, которые следуют из стохастического подхода к инфляционной стадии, разработанного руководителем проекта), и исследование динамики инфляционной и до-инфляционной стадий и структуры космологических и чернодырных сингулярностей в них. 2. Продолжение исследований в рамках скалярно-тензорной гравитации Хорндески. Это направление исследований будет сфокусировано на поиске и исследовании решений, описывающих компактные релятивистские объекты (нейтронные звезды, черные дыры, кротовые норы) в рамках обобщенной скалярно-тензорной теории гравитации Хорндески и других локальных и нелокальных моделях модифицированной гравитации. 3. Разработка ковариантных реологических моделей и их приложение к исследованию динамики космической темной жидкости, анализу структуры и термодинамических свойств компактных астрофизических объектов, а также законов формирования эхо-сигналов в аксионной темной материи. 4. Исследование нового класса теорий скалярно-тензорной гравитации с кручением на основе телепараллельного аналога общей теории относительности. Все эти направления являются новыми, и в них имеется большое количество еще не решенных фундаментальных проблем. Существенно новый и решающий элемент во все из них внесли недавние наблюдения излучения гравитационных волн при слиянии двойных черных дыр (с образованием черной дыры также) и двойных нейтронных звезд, которые в частности доказали, что скорость распространения гравитационных волн с колоссальной точностью равна скорости света (по крайней мере, в областях с малой кривизной пространства-времени). Эти результаты исключают многие ранее предложенные варианты модифицированной гравитации, и позволяют пойти дальше и значительно более детально исследовать остающиеся возможности с учетом уже полученных ранее нами и другими исследователями теоретических результатов. Это делает данный проект весьма важным и актуальным.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бронников К.А., Кашаргин П.Е., Сушков С.В. Magnetized Dusty Black Holes and Wormholes Universe, Universe 2021, 7(11), 419 (год публикации - 2021)
10.3390/universe7110419

2. Балакин А.Б., Тукбаев З.З. Extended relativistic non-equilibrium thermostatics of stellar structures with radiation pressure arXiv.org [gr-qc], https://arxiv.org/abs/2106.00408 (год публикации - 2021)

3. Балакин А.Б., Ильин А.С. Nonlocal extension of causal thermodynamics of the isotropic cosmic fluid arxiv.org [gr-qc], https://arxiv.org/abs/2111.14386 (год публикации - 2021)

4. Лаур Ярв, Топоренский А.В. Global portraits of nonminimal inflation arXiv.org [gr-qc], https://arxiv.org/abs/2104.10183 (год публикации - 2021)

5. Даниель Мюллер, Топоренский А.В. Static cosmological solutions in quadratic gravity General Relativity and Gravitation, General Relativity and Gravitation, 53 (2021) 6, 60 (год публикации - 2021)
10.1007/s10714-021-02830-2

6. Поларский Д., Старобинский А.А., Вербин И. Bouncing Cosmological Isotropic Solutions in Scalar-Tensor Gravity arXiv.org [gr-qc], https://arxiv.org/abs/2111.07319 (год публикации - 2021)

7. Емцова Е.Д., Кршак М., Петров А.Н., Топоренский А.В. On Conserved Quantities for the Schwarzschild Black Hole in Teleparallel Gravity The European Physical Journal C, Eur. Phys. J. C 81 (2021) 743 (год публикации - 2021)
10.1140/epjc/s10052-021-09505-x

8. Топоренский А.В., Третьяков П.В. Spin connection and cosmological perturbations in scalar-torsion gravity arXiv.org [gr-qc], https://arxiv.org/abs/2110.12332 (год публикации - 2021)

Публикации

1. Балакин А.Б., Ильин А.С. Self-interaction in a cosmic dark fluid: The four-kernel rheological extension of the equations of state Physical Review D, Vol. 105, 103525 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevD.105.103525

2. Балакин А.Б. Ильин А.С. Nonlocal extension of causal thermodynamics of the isotropic cosmic fluid Physics Letters B, Vol. 826, 136912 (год публикации - 2022)
10.1016/j.physletb.2022.136912

3. Топоренский А., Яарв Л. Global portraits of non minimal inflation The European Physical Journal C, 82, 179 (год публикации - 2022)
10.1140/epjc/s10052-022-10124-3

4. Топоренский А., Третьяков П. Spin connection and cosmological perturbations in scalar-torsion gravity International Journal of Geometric Methods in Modern Physics, Том 19, выпуск 10 (год публикации - 2022)
10.1142/S021988782250147X

5. Поларски Д., Старобинский А.А., Вербин И. Bouncing cosmological isotropic solutions in scalar-tensor gravity Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2022, 01, 052 (год публикации - 2022)
10.1088/1475-7516/2022/01/052

6. Ишкаева В.А., Сушков С.В. Тень кротовой норы Эллиса–Бронникова Пространство, время и фундаментальные взаимодействия, № 39. C. 26-42 (год публикации - 2022)
10.17238/issn2226-8812.2022.2.26-42

Публикации

1. Балакин А.Б., Ефремова А.О. Dynamic aether as a trigger for spontaneous spinorization in early Universe Universe, Universe, 2023, 9, 481 (1)-481(19) (год публикации - 2023)
10.3390/universe9110481

2. Балакин А.Б., Шакирзянов А.Ф. The extended Einstein-Maxwell-aether-axion theory: Effective metric as an instrument of the aetheric control over the axion dynamics Gravitation and Cosmology (год публикации - 2024)
10.48550/arXiv.2311.04249

3. Бронников К.А., Кашаргин П.Е., Сушков С.В. Possible wormholes in a Friedmann universe Universe, Universe, Vol. 9, No. 11, P.465 (2023) (год публикации - 2023)
10.3390/universe9110465

4. Ишкаева В.А., Сушков С.В. Image of an accreting general Ellis-Bronnikov wormhole Physical Review D, Physical Revew D 108, 084054 (2023) (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevD.108.084054

5. Сушков С.В., Галеев Р. Cosmological models with arbitrary spatial curvature in the theory of gravity with nonminimal derivative coupling Physical Review D, Physical Review D 108, 044028 (2023) (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevD.108.044028

6. Кашаргин П.Е., Сушков С.В. Anti-de Sitter neutron stars in the theory of gravity with nonminimal derivative coupling Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 01, 005 (2023) (год публикации - 2023)
10.1088/1475-7516/2023/01/005

7. Галеев Р.Г., Сушков С.В. Анизотропные космологические модели типа Бианки I, V, IX в теории гравитации с неминимальной кинетической связью Пространство, время и фундаментальные взаимодействия, Пространство, время и фундаментальные взаимодействия. 2023. № 1. C. 26-30. (год публикации - 2023)
10.17238/issn2226-8812.2023.1.26–30

8. Ишкаева В.А., Сушков С.В. Тень кротовой норы Эллиса–Бронникова и силуэт ее горловины Пространство, время и фундаментальные взаимодействия, Пространство, время и фундаментальные взаимодействия. 2023. № 1. C. 79–84 (год публикации - 2023)
10.17238/issn2226-8812.2023.1.79–84

9. Кашаргин П.Е., Сушков С.В. Устойчивость нейтронных звезд в теории гравитации с неминимальной производной связью скалярного поля и тензора Эйнштейна Пространство, время и фундаментальные взаимодействия, Пространство, время и фундаментальные взаимодействия. 2023. № 1. C. 85–90 (год публикации - 2023)
10.17238/issn2226-8812.2023.1.85–90

10. Бронников К.А., Сушков С.В. Current problems and recent advances in wormhole physics Universe, Universe 9 (2023) 81 (год публикации - 2023)
10.3390/universe9020081

11. Жеонг Х., Камада К., Старобинский А.А., Йокояма Д. Reheating process in the R^2 inflationary model with the baryogenesis scenario Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 11, 023 (2023) (год публикации - 2023)
10.1088/1475-7516/2023

12. Кошелев А.С., Кумар К.С., Старобинский А.А. Generalized non-local R^2-like inflation Journal of High Energy Physics, Journal of High Energy Physics 07, 146 (2023) (год публикации - 2023)
10.1007/JHEP07(2023)146

13. Петров А.Н., Емцова Е.Д., Топоренский А.В. Conserved quantities in STEGR and applications European Physical Jounal C, Eur. Phys. J. C (2023) 83:366 (год публикации - 2023)
10.1140/epjc/s10052-023-11460-8

14. Чирков Д.М., Топоренский А.В. Stability analysis of compactification in 3-d order Lovelock gravity Gravitation and Cosmology, 29, pages 262–268 (2023) (год публикации - 2023)
10.1134/S0202289323030064

15. Кошелев А.С., Кумар К.С., Старобинский А.А. Non-Gaussianities in generalized non-local R^2-like inflation Journal of High Energy Physics, Journal of High Energy Physics 07, 094 (2023) (год публикации - 2023)
10.1007/JHEP07(2023)094

16. Кошелев А.С., Старобинский А.А., Токарева А. Post-inflationary GW production in generic higher (infinite) derivative gravity Physics Letters B, Physics Letters B 838, 137686 (2023) (год публикации - 2023)
10.1016/j.physletb.2023.137686

17. Кошелев А.С., Кумар К.С., Старобинский А.А. Cosmology in non-local gravity Invited chapter of the Handbook of Quantum Gravity, C. Bambi, L. Modesto and I.L. Shapiro (Eds.), Springer (год публикации - 2024)

18. Леон Адонайре Л., Скугорева М.А., Топоренский А.В., Варгас Т. A note on the arrow of time in nonminimally coupled scalar field FRW cosmology Gravitation and Cosmology, Gravit.Cosmol. 29 (2023) 4, 404-410 (год публикации - 2023)
10.1134/S0202289323040023