Ученые Института физики Казанского федерального университета выяснили, как лучше понять природу темной энергии Вселенной и сделать ее более доступной для наблюдения. В рамках теории гравитации с неминимальной кинетической связью и однородным магнитным полем найдены новые точные космологические решения. Результаты исследования опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Научная группа, в которую вошли доцент кафедры теории относительности и гравитации Института физики КФУ Руслан Мухарлямов, аспирант института Шехабалдин Башир и доцент кафедры высшей математики Казанского государственного энергетического университета Татьяна Панкратьева, исследовала анизотропную однородную космологическую модель с глобальным магнитным полем в теории гравитации с неминимальной кинетической связью (НКС) между скалярным полем и кривизной. Изучалось совместное влияние НКС и магнитного поля на свойства пространства-времени Бианки-I на ранних этапах существования Вселенной.

Перед учеными стояла задача выяснить, насколько реалистично данная модель может описать ранние периоды ее эволюции, а именно период до и во время первичной инфляции, что приблизительно соответствует временам 10^(-43) - 10^(-37) секунд.

«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», – говорит Р. Мухарлямов.

Наблюдения говорят о наличии магнитного поля на различных масштабах Вселенной. Существует гипотеза о том, что крупномасштабное магнитное поле может иметь изначальное происхождение, то есть могло возникнуть до нуклеосинтеза и даже до инфляции, рассказал физик. Поэтому ученым предстояло определить степень влияния магнитного поля на феномен космического ускорения и масштаб воздействия НКС на свойства магнитного поля.

Чтобы объяснить наблюдаемую современную Вселенную, космологи предполагают существование на ранних этапах ускоренного режима ее расширения, что называется первичной инфляцией.

«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, – добавил доцент КФУ. – Теория гравитации с НКС является подклассом скалярно-тензорной теории гравитации Хорндески, где вопрос устойчивости решений полевых уравнений является нетривиальным. Одной из наших задач также было определить ограничения на параметры модели, обеспечивающие устойчивость, изотропизацию и ускоренное расширение пространства-времени».

При участии физиков Казанского университета в рамках теории гравитации с НКС и однородным магнитным полем были найдены новые точные космологические решения.

«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 Р. Мухарлямов. – Среди решений выявлено наиболее жизнеспособное, оно описывает расширяющуюся Вселенную: есть ранний вход в фазу ускоренного расширения; уровень анизотропии меняется в ограниченной области; есть быстрая изотропизация; в асимптотическом приближении модель не содержит духов и неустойчивостей Лапласа».

Анализ решений показал, что скалярное поле в рамках НКС меняет характер магнитного поля, которое более доступно к непосредственному наблюдению. Таким образом, совместное рассмотрение магнитного и скалярного поля в модифицированных теориях гравитации, в частности в теории гравитации с НКС, существенно может расширить возможности понимания и интерпретации наблюдательных данных, ассоциированных с темным сектором Вселенной, заключил доцент кафедры теории относительности и гравитации.

В работе применялись классические методы математической физики, теории поля, ковариантной электродинамики и теории гравитации. Рассмотренная модель взаимодействия магнитного, скалярного и гравитационного полей может иметь практическое применение при интерпретации космологических наблюдений.

К слову, космологические модели с магнитным полем в рамках НКС ранее не изучались.