В МФТІ дослідили, чи може космологічна інфляція бути наслідком квантових ефектів.

Дослідження опубліковано в Physics of Particles and Nuclei Letters. Останніми роками вчені намагаються розгадати загадку космічної інфляції — періоду стрімкого розширення нашого Всесвіту в ранні моменти його існування. Проблема в тому, що існуючі теоретичні моделі не завжди відповідають тим даним, які ми отримуємо з спостережень. Більше того, виявляється незрозумілим походження тих потенціалів, з допомогою яких вдається описати інфляцію. Недавні дослідження, про які йдеться в новій статті російських фізиків, пропонують свіжий погляд на цю проблему, вивчаючи різні моделі, що описують інфляцію та їх відповідність спостережуваним даним.

Вчені провели чисельний аналіз трьох відносно простих моделей інфляції, кожну з яких характеризують унікальні параметри. Результати дослідження показали, що перша модель, яка описує інфляцію за допомогою скалярного поля з ненульовою масою та мінімальним гравітаційним взаємодією, демонструє відповідність з даними спостережень за певних умов. Однак не всі параметри в цій моделі здатні підтримувати таку відповідність.

Дослідження показали, що разом з тим, параметри, що знаходяться нижче межі маси Планка, представляють найбільш цікавий та багатообіцяючий діапазон. Зокрема, особливу увагу було приділено області малих значень маси та великому початковому значенню скалярного поля, що вказує на необхідність подальших досліджень у цій області.

Друга модель описує безмасове скалярне поле, що взаємодіє з гравітацією немінімальним чином. Вона намагається врахувати вклад лише від гравітації. Параметр N (кількість е-фолдингів, тобто розширень у число e раз) має нижню межу в районі 50—60, що відповідає інфляційному розширенню до стадії розігріву Всесвіту. Загальна кількість е-фолдингів може бути і більше, в залежності від розглянутої моделі. Тому друга модель не підходить (окрім сильної зв'язки), оскільки вона відповідає спостережуваним даним лише при N = 40. Це ставить під сумнів її здатність вирішувати проблеми горизонту та площини, які стоять перед космологією.

Третя модель — це узагальнення моделі Колмана—Вайнберга для гравітації, яка також не збігається зі спостереженнями. Хоча вона використовує складні параметри для опису ефективного потенціалу та враховує взаємодію поля з самим собою, результати показують її невідповідність даним спостережень, що вказує на необхідність подальших удосконалень і непридатність цієї моделі в існуючому вигляді.

«Розглянуті нами моделі є мінімальними модифікаціями загальної теорії відносності, що робить їх найпростішими природними кандидатами на роль істинної теорії космічної інфляції, — розповів Володимир Шмідт, асистент кафедри вищої математики МФТІ. — Ми прийшли до висновку, що перша модель добре узгоджується з спостереженнями при деяких значеннях параметрів, а решта дві потребують модифікації».

В рамках першої моделі було розглянуто чотири випадки: інфляція, в якій всесвіт N = 50 разів розширився в число e (близько 2,71828) раз, 60 разів, 64 рази і 70 разів.

В першу чергу дослідників цікавили параметри ns і r, які грають ключову роль у розумінні інфляційного процесу та його впливу на формування структури Всесвіту. Перший з них називається спектральним індексом, який є мірою того, які структури (флуктуації щільності речовини в ранній всесвіту) виникають частіше: більш щільні чи менш щільні. Значення його одиниця відповідає рівномірному розподілу структур. Якщо він менше одиниці, то крупні структури виникають частіше, якщо більше, то рідше. Оцінити цей спектральний індекс можна, вимірюючи температуру реліктового випромінювання всесвіту в різних точках неба та порівнюючи ці температури між собою.

Другий з цих параметрів називається тензорно-скалярним співвідношенням. Це співвідношення амплітуд гравітаційних хвиль до щільностей матерії, які виникають внаслідок інфляції. Він показує, наскільки сильно інфляційне розширення всесвіту створює гравітаційні хвилі в порівнянні з тим, як їх створює сама матерія. Велике значення цього параметра означає, що космічна інфляція відбувалася в умовах, в яких на формування всесвіту величезну роль відіграють виникаючі внаслідок інфляції гравітаційні хвилі. Якщо ж цей параметр близький до нуля, то впливом гравітаційних хвиль можна знехтувати.

Обидва параметри можуть бути оцінені за допомогою даних спостережень за реліктовим випромінюванням. В результаті моделювання виявилося, що при N = 70 для першої моделі існують значення параметрів, при яких модель збігається зі спостереженнями. Решта дві моделі зовсім не дали збігу.

«Досліджені нами моделі є цікавими прикладами інфляційних сценаріїв, заснованих на квантових ефектах. Перша модель, зокрема, демонструє багатообіцяючий підхід до пояснення інфляції, спираючись на прості припущення, при цьому забезпечуючи узгодженість з спостережуваними даними, — розповів Андрій Арбузов, перший автор статті, начальник сектора №5 Лабораторії теоретичної фізики імені Н.Н. Боголюбова ОИЯІ (Дубна). — Ми сподіваємося, що наші висновки сприятимуть подальшим дослідницьким зусиллям у сфері квантової гравітації та розширять наше розуміння космологічних процесів».

_{(опубліковано за підтримки гранта Мінобрнауки Росії в рамках федерального проекту «Популяризація науки та технологій» № 075-15-2024-571)}