Layman's description

Общая теория относительности – общепринятая теория гравитационного взаимодействия, лучше всех других кандидатов описывающая его в масштабах от микрометров до парсек. Однако на больших масштабах предсказания ОТО не совпадают с наблюдениями. В числе таких несовпадений - проблема так называемой темной материи, заключающаяся в том, что общее количество гравитирующей материи во Вселенной в несколько раз больше, чем количество видимой. Одним из способов решения проблемы темной материи является модификация ОТО; изучению таких модификаций и посвящен настоящий проект.
В 1975 году Редже и Тейтельбойм, вдохновляясь успехами теории струн, предложили подход к гравитации, в котором наше четырехмерное искривленное пространство описывается как поверхность в плоском пространстве большего числа измерений. Вскоре оказалось, что динамика такой теории, называемой теорией вложения, эквивалентна динамике обычной ОТО в присутствии дополнительной материи. В текущем году изучалась другая возможная форма теории гравитации на базе изометрических вложений, изначально предложенная Л.Д. Фаддеевым. В этом варианте теории вложения независимой переменной является не сама функция вложения, а ее производная. За счет этого может возникнуть ненулевое кручение, которое также может быть интерпретировано как присутствие дополнительной материи. При изучении такой теории в линейном приближении было установлено, что существуют решения, для которых уравнение состояния фиктивной материи является ультрарелятивистским. Это позволило прийти к выводу о наличии неэйнштейновских решений этой теории.
Процедура изометрического вложения может использоваться для изучения геометрических свойств пространств общей теории относительности. В целях построения описанной выше теории гравитации на базе вложений изучались нетривиальные вложения плоских пространств. Их построение необходимо для анализа линейного приближения основных уравнений теории вложения. Разработано также обобщение метода поиска поверхностей с заданной геометрией, позволяющее искать поверхности с заданной метрикой, обладающие меньшей симметрией, чем она сама. Примером такой поверхности является веретенообразная поверхность, получаемая изгибанием сферы: метрика на ней остается метрикой сферы, но ее симметрия уже не сферическая, а только осевая. При помощи этого обобщенного метода была построена поверхность, соответствующая 2+1-мерной вращающейся черной дыре – первое известное глобальное вложение вращающейся черной дыры.

Key findings for the stage (summarized)

Исследовался предложенный Л.Д.Фаддеевым вариант описания гравитации в подходе теории вложения, в котором независимой переменной считается не функция вложения, а неквадратный репер, который в стандартном подходе Редже-Тейтельбойма получается из функции вложения дифференцированием. Такой выбор независимой переменной упрощает уравнения движения, однако может, в принципе, приводить к появлению в теории ненулевого кручения. Если материя взаимодействует только с метрикой, то присутствие кручения будет проявляться только в виде появления вклада некоторой фиктивной дополнительной материи в правой части уравнений Эйнштейна, что можно связать с эффектами темной материи.
Для удобства анализа свойств дополнительной материи теория была эквивалентным образом переписана в форме ОТО с дополнительным вкладом в действие, описывающим фиктивную материю, которая при таком подходе описывается неквадратным репером и некоторым набором множителей Лагранжа. Получены уравнения движения теории, в частности – выражение тензора энергии импульса фиктивной материи. Уравнения анализировались в пределе слабого гравитационного поля. В одном из классов решений, в котором уравнения оказываются линейными, найдено решение, соответствующее ненулевому значению тензора энергии-импульса фиктивной материи, которая оказывается имеющей уравнение состояние ультрарелятивистской материи. Таким образом, доказано, что вариант теории вложения Фаддеева может иметь решения, отличные от решений ОТО.
Изучались нетривиальные (т.е. не являющиеся плоскостью в объемлющем пространстве) изометрические вложения плоских метрик. Такие вложения представляют интерес с точки зрения описания гравитации в подходе теории вложения. Указанные вложения могут обладать дополнительными интересными свойствами, например, обладать той же симметрией, что и исходная метрика. Для физических приложений важную роль играет другое возможное дополнительное свойство – развернутость, которая означает что поверхность в объемлющем пространстве занимает подпространство максимально возможной размерности (т.е. поверхность не оказывается вложенной в некоторое плоское подпространство объемлющего пространства). Исследовались нетривиальные симметричные вложения метрики пространства Минковского и евклидова трехмерного пространства. Для построения развернутых вложений был предложен новый метод последовательных изгибаний. Стартуя с простого вложения, являющегося прямым произведением нескольких окружностей, и далее осуществляя изгибание многомерной плоскости, которая содержит такое вложение, в поперечных к ней направлениях, удалось построить развернутые вложения евклидова трехмерного пространства в 9-мерное плоское объемлющее пространство и пространства Минковского в 10мерное и в 14мерное плоские объемлющие пространства.
Предложено дальнейшее развитие сформулированного ранее участниками проекта, использующего теорию представлений групп, метода построения вложений заданных метрик. Метод удалось обобщить на случай поверхностей, чья группа симметрии ниже, чем группа симметрии вкладываемой метрики. Этим методом удалось найти глобальное вложения вращающейся 2+1-мерной черной дыры BTZ, а также построить глобальное вложение космологической модели Геделя. Глобальное вложение черной дыры BTZ является первым известным глобальным явным вложением черной дыры с моментом. Его получение является важным шагом на пути построения явного глобального вложения метрики Керра - 3+1-мерной черной дыры, обладающей угловым моментом.

Academic ownership of participants (text description)

Пастон Сергей Александрович (руководитель), профессор, 25%;
Шейкин Антон Андреевич, старший преподаватель, 15%;
Ильин Роман Викторович, аспирант, 5%;
Капустин Александр Дмитриевич, аспирант, 5%;
Семенова Елизавета Николаевна, аспирант, 5%;
Купцов Станислав Сергеевич, магистрант, 15%;
Зайцева Таисия Игоревна, магистрант, 15%;
Марков Михаил Михаил, студент, 15%

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

не разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

разрешается
AcronymRFBR_a_2020 - 2
StatusFinished
Effective start/end date23/03/2128/12/21

ID: 75651533