Einšteino teorija su ašaromis akyse prašosi patobulinimo ir fizikai jį pateikia: chameleoninės gravitacijos teorija ir ką ji sako apie galaktikų formavimą

Britų fizikai sumodeliavo galaktikų fomavimąsi, panaudoję chameleoninio tipo \(f(R)\) gravitaciją, kuri natūraliu būdu paaiškina Visatos plėtimąsi. Paaiškėjo, kad šis procesas praktiškai nesiskiria nuo analogiško proceso aprašymo Bendrąja reliatyvumo teorija, kas patvirtina alternatyvios teorijos veiksnumą. Mokslininkai taip pat pasiūlė savo modelio patikrinimo būdą: pasirodo, pagal alternatyvųjį scenarijų, neutralaus vandenilio spektras beveik 15 procentų silpnesnis už aprašomą BRT . Straipsnis publikuotas Nature Astronomy.

Bendroji reliatyvumo teorija gerai aprašo daugumą stebimų gravitacinių efektų, tačiau netgi ši teorija nėra visagalė. Viena vertus, tai – grynai klasikinė teorija, todėl fizikai lig šiol nesumoja, kaip ją būtų galima susieti su elementariųjų dalelių Standartiniu modeliu. Antra vertus, BRT nepaaiškina tamsiosios energijos ir tamsiosios materijos, o jos, remiantis WMAP ir Planck palydovų duomenimis, sudaro apie 95 procentus Visatos masės. Todėl fizikai renčia patogesnes alternatyvias gravitacijos teorijas. Tačiau svarbu, kad naujos teorijos neprieštarautų turimiems stebėjimams. Tačiau dabar teorija itin dideliu tikslumu patikrinta ne tik santykinai silpnuose Saulės sistemos laukuose, bet ir supermasyvios juodosios skylės apylinkėse bei galaktikų mastu

.

Viena iš labiausiai išvystytų alternatyvių teorijų — chameleoninės gravitacijos, kurią 2004 metais pasiūlė Justin Khoury ir Amanda Weltman. Ši teorija pretenduoja pateikti natūralaus Visatos plėtimosi paaiškinimą, kuriam nereikia kosmologinės konstantos. Pagrindinė naujos teorijos sąvoka yra hipotetiniai skaliariniai laukai — chameleonai,  — kurių savybės stipriai priklauso nuo aplinkos. Vakuume šių laukų kvantai neturi masės, tai yra, laukai veikia be galo toli, kaip kad elektromagnetinė jėga. Tačiau šalia masyvių objektų laukų masė greitai auga, jėgos veikimo spindulys mažėja, ir objektų viduje chameleoniniai laukai praktiškai išnyksta. Teorijoje chameleoniška gravitacija gaunama, į Einšteino–Hilberrto poveikį įrašius tam tikrą funkciją \(f(R)\), kur \(R\) — Ricci skaliaras (BRT \(f(R)=R)\). Todėl chameleoniška gravitacija yra atskiras \(f(R)\) gravitacijos atvejis, kurioje nagrinėjamos norimos \(f(R)\) funkcijos**.

Deja, teoriškai tyrinėti \(f(R)\) gravitaciją gan sudėtinga: dėl netiesinių papildymų atsiranda netiesinės judėjimo lygtys, kurių neįmanoma išspręsti analitiškai ir sunku išspręsti skaitmeniškai. Todėl lig šiol fizikai chameleoninės gravitacijos tinkamumą tikrino tik Saulės sistemos mastu, o taip pat supaprastintais galaktikų modeliais, kuriuose neatsižvelgiama į gravitacinių bangų spinduliavimą. Kitaip tariant, mokslininkai nebuvo tikri, kad chameleoninė gravitacija tinka tokiai pat struktūrų įvairovei, kokia randasi iš BRT ir kokią mato astronomai. Bendrai žiūrint, tokią įvairovę užtikrina ne naujosios teorijos lygčių nukrypimo nuo BRT lygčių silpnumas: iš principo, netgi menko teorijos pokyčio gana, kad supermasyvi juodoji skylė besiformuojančios galaktikos centre greitai išdegintų dujas ir kliudytų formuotis žvaigždėms. Akivaizdu, kad jei panašūs procesai vyksta \(f(R)\) gravitacijoje, tai jos teks atsisakyti, net jeigu ji puikiai aiškina greitėjantį Visatos plėtimąsi.

Fizikai Christian Arnold), Matteo Leo ir Baojiu Li skaitmeniškai sumodeliavo galaktikų formavimąsi dviem \(f(R)\)-gravitacijos modeliais ir patvirtino, kad, jie praktiškai nesiskiria nuo BRT. Toks modeliavimas tapo įmanomas neseniai, pagerinus AREPO programą, padidinus netiesinių lygčių sprendimo efektyvumą. Siekdami atsižvelgti į tarpžvaigždinių dujų hidrodinamiką, magnetinius laukus, žvaigždžių ir juodųjų skylių formavimąsi, dujų kaitimą ir supernovų poveikį, mokslininkai papildė šią programą IllustrisTNG modeliu. Galiausiai, kaip \(f(R)\) teoriją, tyrėjai pasirinko populiarų Wayne Hu ir Ignacy Sawicki modelį, kuris yra chameleoninio tipo teorija, ir paaiškina greitėjantį Visatos plėtimąsi.

Taip fizikai sukūrė modeliavo komplektą SHYBONE (Simulating HYdrodynamics BeyONd Einstein), kuriuo galima modeliuoti \(f(R)\) teorijas su įvairiais foninio skaliarinio lauko lygiais. Kaip pavyzdį mokslininkai išnagrinėjo du tokių teorijų tipus — F6 modelį, kuriame lauko įtampos sutampa su dabartiniais vertinimais, ir F5 modelį, kuriame įtampa dešimt kartų didesnė. Fizikai tikėjosi, kad pirmasis modelis praktiškai nesiskirs nuo BRT, tuo tarpu antrajame modelyje alternatyvios teorijos efektai pasireikš aiškiau. Modeliuodami galaktikų formavimąsi, mokslininkai visais trimis atvejais (įtraukiant BRT) nagrinėjo dinamiką šimto milijonų masyvių dalelių, kvadratinėje dėžutėje, kurios kraštinė \(\frac{62}{h}\) megaparsekų (\h\)  — bematė Hubblo konstanta).

Visai trimis atvejais mokslininkai išvydo formuojantis galaktikas, kurių forma praktiškai nepriklausė nuo modelio. Taip pats silpnai nuo modelio priklausė ir galaktikas užpildančių žvaigždžių savybės. Pasak fizikų, tai patvirtina \(f(R)\)-gravitacijos tinkamumą.

Mokslininkai taip pat aptiko efektus, pagal kuriuos galima atskirti galaktikas, susiformavusias pagal BRT nuo susiformavusių pagal \(f(R)\)-gravitaciją. Pasirodo, dėl stipresnio tarpžvaigždinių dujų vėsimo \(f(R)\)-gravitacija beveik 15 procentų sumažina neutralaus vandenilio spektro intensyvumą. Mokslininkų vertinimu, tokį nuokrypį galima pastebėti maždaug per 1000h valandų stebėjimo SKA radioteleskopu, visa galia pradėsiančiu veikti kito dešimtmečio viduryje.

Pagrindinis chameleoninės gravitacijos teorijos pranašumas prieš Bendrąją reliatyvumo teoriją — galimybė natūraliai paaiškinti kosmologinę konstantą. Deja, antžeminiais eksperimentais tokia galimybė praktiškai užverta. Suprantama, materijoje chameleoninio lauko įtampa praktiškai lygi nuliui, kas apsunkina alternatyvios teorijos hipotetinių efektų paiešką, tačiau 2017 metų rugpjūtį fizikai visgi sugalvojo, kaip juos būtų galima išmatuoti. Tam mokslininkai panaudojo atominį interferometrą, kuris chameleoninio lauko įtampą slopina santykinai nedaug, ir nubrėžė griežtas teorijos parametrų ribas. Šie apribojimai praktiškai draudžia stebimą kosmologinės konstantos reikšmę.

Įdomu, kad chameleoninės gravitacijos teoriją įkvėpė ne tik bandymai paaiškinti tamsiąją materiją ir tamsiąją energiją, bet ir grynai filosofiniai pamąstymai. Mat ši teorija natūraliai įkūnija Macho filosofinį principą, pagal kurį erdvėlaikio neįmanoma atskirti nuo jame egzistuojančių fizinių objektų.

nplus1.ru