Хамелеонная гравитация наравне с ОТО объяснила формирование галактик

Christian Arnold et al. / Nature Astronomy, 2019

Британские физики численно смоделировали формирование галактик в f(R)-гравитации хамелеонного типа, которая естественным образом объясняет ускоренное расширение Вселенной. Оказалось, что этот процесс практически не отличается от аналогичного процесса в Общей теории относительности, что подтверждает жизнеспособность альтернативной теории. Также ученые предложили способ, с помощью которого их модель можно будет проверить: оказывается, что в альтернативном сценарии спектр нейтрального водорода почти на 15 процентов слабее, чем спектр водорода в ОТО. Статья опубликована в Nature Astronomy.

Общая теория относительности хорошо описывает большинство наблюдаемых гравитационных эффектов, однако даже эта теория не всесильна. С одной стороны, эта теория чисто классическая, а потому физики до сих пор не понимают, как ее можно увязать со Стандартной моделью элементарных частиц. С другой стороны, ОТО не объясняет, откуда взялись темная материя и темная энергия, которые, судя по измерениям спутников WMAP и Planck, составляют около 95 процентов массы Вселенной. Поэтому физики разрабатывают более удобные альтернативные теории гравитации. При этом важно, чтобы новые теории не противоречили существующим наблюдениям. Все-таки к настоящему времени эффекты теории с очень высокой точностью проверены не только для сравнительно слабых полей Солнечной системы, но и в окрестностях сверхмассивной черной дыры, и на масштабах галактик.

Одна из самых проработанных альтернативных теорий — это хамелеонная гравитация, предложенная в 2004 году Джастином Хури (Justin Khoury) и Амандой Вельтман (Amanda Weltman). В частности, эта теория претендует на естественное объяснение ускоренного расширения Вселенной, которое не требует космологической постоянной. Ключевым понятием новой теории являются гипотетические скалярные поля — хамелеоны, — свойства которых сильно зависят от окружения. В вакууме кванты этих полей не имеют массы, то есть поля действуют бесконечно далеко, словно электромагнитные силы. Однако около массивных объектов масса полей быстро растет, радиус действия силы падает, и при погружении в объекты хамелеонные поля практически исчезают. В теории хамелеонную гравитацию получают, дописывая в действие Эйнштейна — Гильберта определенную функцию f(R), где R — скаляр Риччи (в ОТО f(R) = R). Поэтому хамелеонная гравитация является частным случаем f(R)-гравитации, в рамках которой рассматривают произвольные функции f(R).

К сожалению, теоретически исследовать f(R)-гравитацию довольно сложно: нелинейные добавки к действию приводят к нелинейным уравнениям движения, которые невозможно решить аналитически и тяжело решать численно. Поэтому до сих пор физики проверяли жизнеспособность хамелеонной гравитации только на масштабах Солнечной системы, а также для упрощенных моделей галактик, которые не учитывают излучение гравитационных волн. Другими словами, ученые не были уверены, что хамелеонная гравитация разрешает такой же богатый набор структур, который возникает в ОТО и который видят астрономы. Вообще говоря, это разнообразие не гарантировано слабостью отклонений уравнений теории от уравнений ОТО: в принципе, даже небольшого изменения теории достаточно, чтобы сверхмассивная черная дыра в центре формирующейся галактики быстро выжигала газ и мешала появлению звезд. Очевидно, что если подобные процессы происходят в f(R)-гравитации, то от нее придется отказаться, даже если она очень хорошо объясняет ускоренное расширение Вселенной.

Физики Кристиан Арнольд (Christian Arnold ), Маттео Лео (Matteo Leo) и Баоцзю Ли (Baojiu Li) численно смоделировали образование галактик в двух моделях f(R)-гравитации и подтвердили, что оно практически не отличается от ОТО. Такое моделирование стало возможно благодаря недавнему улучшению программы AREPO, которое повысило эффективность решения нелинейных уравнений. Чтобы учесть гидродинамику межзвездного газа, магнитные поля, образование звезд и черных дыр, разогревание газа и отклик от сверхновых, ученые дополнили эту программу моделью IllustrisTNG. Наконец, в качестве f(R) теории исследователи выбрали популярную модель Ху — Савицкого, которая представляет собой теорию хамелеонного типа и объясняет ускоренное расширение Вселенной.

В результате физики получили комплект моделирования SHYBONE (Simulating HYdrodynamics BeyONd Einstein), с помощью которого можно смоделировать f(R) теории с разным уровнем фонового скалярного поля. В качестве примера ученые рассмотрели два типа таких теорий — модель F6, в которой напряженность поля совпадает с современными оценками, и модель F5, в которой напряженность на порядок выше. Физики ожидали, что первая модель практически не будет отличаться от ОТО, тогда как во второй теории эффекты альтернативной теории будут выражены более явно. Чтобы смоделировать формирование галактики, во всех трех случаях (включая ОТО) ученые рассмотрели динамику ста миллионов массивных частиц, помещенных в куб со стороной 62/h мегапарсек (h — безразмерная постоянная Хаббла).

Во всех трех случаях ученые увидели образование галактик, форма которых практически не зависела от модели. Так же слабо зависели от модели свойства звезд, которыми заселялась галактика. По словам физиков, это подтверждает жизнеспособность f(R)-гравитации.

Ученые также обнаружили эффекты, по которым можно отличить галактики, сформировавшиеся в Общей теории относительности или f(R)-гравитации. Оказывается, что усиленное охлаждение межзвездного газа в f(R)-гравитации почти на 15 процентов снижает интенсивность спектра нейтрального водорода. По оценкам ученых, такое отклонение можно заметить примерно за 1000h часов наблюдений на радиотелескопе SKA, который заработает на полную мощность в середине следующего десятилетия.
Основное преимущество хамелеонной теории гравитации над Общей теорией относительности — это возможность естественного объяснения космологической постоянной. К сожалению, эта возможность уже практически закрыта наземными экспериментами.

Разумеется, в веществе напряженность хамелеонного поля практически равна нулю, что усложняет проверку гипотетических эффектов альтернативной теории, однако в августе 2017 года физики все-таки придумали, как их можно измерить. Для этого ученые использовали атомный интерферометр, который сравнительно слабо подавляет напряженность хамелеонного поля, и наложили строгие ограничения на параметры теории. Эти ограничения практически запрещают наблюдаемое значение космологической постоянной.

Интересно, что теория хамелеонной гравитации была вдохновлена не только попытками объяснить темную материю и темную энергию, но и чисто философскими размышлениями. Дело в том, что эта теория естественным образом воплощает философский принцип Маха, согласно которому пространство-время невозможно отделить от физических объектов, которые в нем существуют. Более подробно про принцип Маха и теории гравитации, которые на него полагаются, можно прочитать в блоге «Ведро Ньютона, принцип Маха и существование пространства-времени».

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.