ИСТИНА

На данный момент общая теория относительности (ОТО) является общепризнанной теорией гравитацией, которая успешно описывает явления, происходящие на масштабах систем как со слабым гравитационным полем (таких как Солнечная система), так и с более сильным полем (двойные системы с пульсаром, слияние чёрных дыр). Однако, на масштабах галактик и скоплений галактик существуют феномены, которые не могут быть объяснены при помощи ОТО. Речь идёт о проблеме тёмной материи и тёмной энергии. Помимо этого, проблема построения квантовой теории гравитации до сих пор не решена. Одним из способов решить эти вопросы являются модифицированные теории гравитации. Наиболее простым способом модификации гравитации является замена скаляра Риччи в действие Эйнштейна-Гильберта на общую функцию от этой величины. Такой подход лежит в основе семейства f(R)-теорий. Одной из таких теорий является гибридная метрическая-Палатини f(R)-гравитация [T. Harko et al., Phys. Rev. D 85, 084016 (2012)]. Данная модель построена таким образом, чтобы избежать всех недостатков метрической и Палатини f(R)-теорий, но объединить в себе все их достоинства. Гибридная f(R)-гравитация проходит локальные тесты в Солнечной системе [P. Dyadina et al., JETP 156, 5, 905 (2019)], тесты в более сильном гравитационном поле двойных систем с пульсарами [N. Avdeev et al., JETP 131, 4, 537 (2020)], в рамках данной теории были получены решения типа чёрная дыра [ K. A. Bronnikov et al., Grav. Cosmol. 26, 212-227 (2020)], были рассмотрены уравнения состояния нейтронных звёзд [B. Danila et al., Phys. Rev. D 95, 044031 (2017)]. Вместе с этим эта теория позволяет описать крупномасштабную динамику Вселенной. Главной особенностью данной модели является то, что она позволяет описывать как ускоренное расширение Вселенной, так и локальные астрофизические системы без введения экранирующих механизмов [S. Capozziello et al., Universe 1, 2, 199 (2015)]. Кроме того, гибридная f(R)-гравитация дает возможность объяснить кривые вращения галактик без предположения о существовании огромного количества темного вещества [S. Capozziello et al., Astroparticle Physics 50-52C, 65 (2013)]. Всё это позволяет рассматривать гибридную метрическую-Палатини f(R)-гравитацию как перспективного кандидата для описания необъяснимых на данный момент явлений. Однако, на данный момент дать утвердительный ответ какая из модифицированных теорий гравитации реализуется в нашей Вселенной нельзя. В решении этого вопроса может помочь тестирование таких теорий с помощью новых подходов и данных. Одним из таких тестов является сравнение предсказаний картины аккреции вещества на компактный объект в рамках гибридной f(R)-гравитации с реальными наблюдательными данными. В данном проекте планируется рассмотреть темп аккреции на нейтронные звезды, поток энергии от аккреционного диска, а также форму линии железа, которая сильно зависит от тонких гравитационных эффектов. Дополнительной мотивацией к проведению подобного теста служит тот факт, что предсказания гибридной f(R)-гравитации для максимальных масс нейтронных звёзд сильно отличаются от тех, что были сделаны в рамках ОТО. Дело в том, что гибридная f(R)-гравитация предсказывает максимальную массу нейтронных звезд равной 6 массам Солнца [B. Danila et al., Phys. Rev. D 95, 044031 (2017)]. Таким образом, если гибридная f(R)-гравитация является верной гравитационной моделью, то все черные дыры звездных масс от 3 до 6 масс Солнца на самом деле являются нейтронными звездами. На данный момент существуют несколько объектов, с массой большей, чем та, что предсказывает ОТО, природа которых не до конца ясна. Одна из основных целей данного проекта проверить это предсказание гибридной f(R)-гравитации. Все эти данные в совокупности могут помочь получить строгие ограничения на свободные параметры теории или закрыть данную теорию гравитации.

At the moment, the general relativity (GR) is the generally accepted theory of gravity. General relativity successfully describes phenomena that occur in systems of different scales. For instance, solar system (weak gravitational field), binary systems with a pulsar and black hole mergers (stronger field). However, on the scales of galaxies and clusters of galaxies, there are phenomena that cannot be explained by GR: dark matter and dark energy. In addition, the problem of constructing a quantum theory of gravity has not yet been solved. One possible solution is modified game theories. The most important modifications are the replacement of the Ricci scalar in the Einstein-Hilbert action with a natural function of this quantity. This approach underlies the f(R) family of theories. One such theory is the hybrid metric-Palatini f(R)-gravity [T. Harko et al., Phys. Ed. D 85, 084016 (2012)]. This model is constructed to avoid all the shortcomings of the metric and palatini f(R) theories, but also to unite the virtues. Hybrid f(R)-gravity passes local tests in the solar system [P. Dyadina et al., JETP 156, 5, 905 (2019)], tests in a stronger gravitational field of binary systems with pulsars [N. Avdeev et al., JETF 131, 4, 537 (2020)]. Within the framework of this theory the black hole-like solutions were obtained [Bronnikov K.A. and others, Grav. Cosmol. 26, 212-227 (2020)] and the neutron stars' equations of state were derived [B. Danila et al., Phys. Ed. D 95, 044031 (2017)]. It is possible to describe the large-scale dynamics of the Universe using this theory. The main feature of this model is that it allows describing both the accelerated expansion of the Universe and local astrophysical systems without involve screening mechanisms [S. Capozziello et al., Universe 1, 2, 199 (2015)]. In addition, hybrid f(R)-gravity makes it possible to explain the rotation curves of galaxies without involving large amounts of dark matter [S. Capozziello et al., AstroParticle Physics 50-52C, 65 (2013)]. All the mentioned above makes hybrid metric-Palatine f(R)-gravity a promising candidate for describing currently inexplicable phenomena. However, now it is not possible to tell which of the modified theories of gravity is in fact implemented in our Universe. Testing such theories with new approaches and data can resolve this issue. One such test is the comparison of predictions of the pattern of matter accretion onto a compact object in the framework of hybrid f(R) gravity with real observational data. In this project we plan to consider the rate of accretion onto the neutron stars, the energy flux from the accretion disk and the shape of the iron line, which is highly dependent on subtle gravitational effects. An additional motivation for conducting such a test is the fact that the predictions of hybrid f(R) gravity for the maximum masses of neutron stars are very different from those made in general relativity. The hybrid f(R)-gravity predicts the maximum mass of neutron stars equal to 6 solar masses [B. Danila et al., Phys. Rev. D 95, 044031 (2017)]. That means that if hybrid f(R) gravity is the correct gravitational model, then all black holes of stellar masses between 3 and 6 solar masses are actually neutron stars. At the moment, there are several objects with a mass greater than predicted by general relativity, the nature of which is not completely clear yet. One of the main goals of this project is to test this hybrid f(R) gravity prediction. All this information can help to obtain firm restrictions on free parameters or eliminate some theory.

В рамках данного проекта планируется, во-первых, получить выражения, описывающие темп аккреции b поток энергии от аккреционного диска в рамках гибридной f(R)-гравитации. Отличная от ОТО теория гравитации может предсказывать в том числе и некоторые нестандартные режимы аккреции. Также данная теория гравитации предсказывает массы нейтронных звезд больше, чем ОТО, поэтому черные дыры звездных масс от 3 до 6 масс Солнца могут оказаться нейтронными звездами в соответствии с предсказанием гибридной f(R)-гравитации. Поскольку аккреция на нейтронные звезды отличается от аккреции на черные дыры, данный факт может позволить или получить жесткие ограничения на параметры теории, или поставить вопрос о закрытии теории. Во-вторых, существенной частью проекта является построение аналитического описания линии железа, наблюдаемой при аккреции вещества на компактный объект. Форма этой линии достаточно сильно зависит от тонких гравитационных эффектов, которые сказываются вблизи компактного объекта. Поэтому данные рассмотрение также позволит жестко ограничить теорию. Кроме того, важным результатом будет в принципе применение данного метода к f(R)-теории гравитации, так как это будет проделано впервые. Метод является новым, поэтому данная задача позволит сделать существенный вклад в его развитие. Ожидаемые в ходе выполнения данного проекта результаты дадут возможность получить новые ограничения на гибридную f(R)-гравитацию, в частности на массу скалярного поля. В совокупности с уже существующими ограничениями, полученными на данную теорию, будут уточнены пределы возможных значений свободных параметров модели. На данный момент существует достаточно много теорий модифицированной гравитации, сокращение их числа или получения данных о большей перспективности той или иной теории очень важно для мирового научного сообщества. Более того, данный проект позволит лучше понять природу компактных объектов от 3 до 6 масс Солнца.

Ранее руководителем была получена полная постньютоновская (ППН) метрика в теориях Гаусса-Бонне и Рандалл-Сандрум [S. Alexeyev K. Rannu, P. Dyadina, B. Latosh, S. Turyshev,, JETP 120, 6, 966 (2015)]. Также были исследованы скорости испарения и температура черных дыр в моделях Гаусса-Бонне и Рандалл-Сандрум [S. Alexeyev, K. Rannu, P. Dyadina, B. Latosh, S. Turyshev, JETP 120, 6, 966 (2015)]. Гибридная f(R)-гравитация была протестирована в Солнечной системе с использованием параметризованного постньютоновского формализма. Показано, что легкое скалярное поле в гибридной f(R)-гравитации не противоречит экспериментальным данным, основанным на всем наборе ППН параметров [P. Dyadina, S. Labazova, S. Alexeyev, JETP 156, 5, 905 (2019)]. Кроме того, гибридная f(R)-гравитация была проверена на данных наблюдений двойных систем с пульсаром. Показано, что в гибридной f(R)-гравитации есть только скалярные и тензорные квадрупольные члены. Также впервые было найдено ограничение на массу скалярного поля в гибридной f(R)-гравитации [P. Dyadina, N. Avdeev, S. Alexeyev, MNRAS 483, 947 (2019)]. После этого предыдущие результаты были обобщены на случай орбиты с эксцентриситетом. Гибридная f(R)-теория была протестирована с использованием параметризованного посткеплеровского формализма. В результате были найдены аналитические выражения для четырех посткеплеровских параметров, получены ограничения на фоновое значение скалярного поля и показано, что гибридная f(R)-гравитация предсказывает более широкий диапазон возможных масс компонентов двойные пульсары в сравнении с общей теорией относительности [N. Avdeev, P. Dyadina, S. Labazova, JETP 158, 4, 613-625 (2020)]. Был получен вид задержки Шапиро в рамках гибридной f(R)-гравитации и показано, что все скалярно-тензорные теории гравитации с массивным скалярным полем приводят к измененному выражению задержки Шапиро в сравнении с ОТО [P. Dyadina and S. Labazova, JCAP 01, 029 (2022)].