"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8837
ETF8837 "Modifitseeritud gravitatsiooniteooriate teoreetiline struktuur ja vaatluslikud järeldused (1.01.2011−31.12.2014)", Piret Kuusk, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.
ETF8837
Modifitseeritud gravitatsiooniteooriate teoreetiline struktuur ja vaatluslikud järeldused
Theoretical implications and observational consequences of modified theories of gravity
1.01.2011
31.12.2014
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP190 Matemaatiline ja üldine teoreetiline füüsika, klassikaline mehaanika, kvantmehaanika, relatiivsus, gravitatsioon, statistiline füüsika, termodünaamika1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)100,0
PerioodSumma
01.01.2011−31.12.20118 880,00 EUR
01.01.2012−31.12.20128 880,00 EUR
01.01.2013−31.12.20138 880,00 EUR
01.01.2014−31.12.20148 880,00 EUR
35 520,00 EUR
62889,06

Me jätkame oma varasemaid uurimusi kosmoloogiliste mudelite realistlikkusest modifitseeritud gravitatsiooniteooriates, millest suurt osa saab esitada üldise skalaar-tensortüüpi gravitatsiooniteooria (STG) või mitme skalaarväljaga multiskalaar-tensorteooriana (MSTG) kujul. Me kasutame (M)STG atraktormehhanismi, mille järgi on vastavad kosmoloogilised lahendid skalaarvälja faasiruumis kirjeldatud faasivooga, mis dünaamiliselt liigub teatud atraktorpunktide poole, lubades kasutada Taylori arendusi nende punktide ümbruses. Meie eesmärk on lähtudes lokaalsetest nõrga välja vaatlustest Päikesesüsteemis, universumi paisumise ajaloost ja lineaarsete häirituste arengust filtreerida välja realistlikud teooriaklassid ja leida piirangud neid iseloomustavatele parameetritele. Me soovime selgitada järgmisi küsimusi. 1) Lokaalse nõrga välja piirangud: oma varasemates töödes oleme vaadanud piiranguid Jordani konformse raami seosefunktsioonile parametriseeritud post-Newtoni (PPN) formalismi raames, nüüd tahame seda täiendada piirangute leidmisega skalaarvälja potentsiaalile, mis tulenevad algselt Einsteini konformses raamis defineeritud kameeleonefektist. 2) Atraktormehhanism: oma varasemates töödes oleme detailselt kirjeldanud kosmoloogilisi mudeleid ajajärgul, mil skalaarse potentsiaali energiatihedus domineerib mateeria energiatiheduse üle; edaspidi on tarvis detailselt kirjeldada kosmoloogilisi mudeleid ajajärgul, mil mateeria tihedus domineerib skalaarse potentsiaali üle. 3) Kiirenev paisumine: oleme esitanud tarviliku tingimuse Jordani raami STG seosefunktsioonile, mis lubab universumi kiirenevat paisumist vastava STG kosmoloogilises mudelis; edaspidi soovime lähemalt uurida selliste lahenditega kirjeldatud universumite paisumise ajalugu ja mateeria poolt domineeritud lahendeid atraktorpunkti lähedal, kasutades olekuleidja diagrammide tehnikat. 4) Kosmoloogilisete tihedushäirituste kasv: me tahame tuletada võrrandi lineaarsete häirituste arengu jaoks juhul, kui alusteooriaks on STG ja kui lahendid jäävad atraktorpunkti lähedale. 5) Multiskalaar-tensorgravitatsioon: me üldistame oma varasemad STG tulemused mitme skalaarväljaga multiskalaar-tensorteooriatele, mis tekivad loomulikul viisil kõrgemamõõtmelistes ruumides antud stringi- ja superstringiteooriate kompaktifitseerimisel neljamõõtmelisele aegruumile.
We continue our earlier investigations on the viability of cosmological models in modified theories of gravity, for which the general scalar-tensor theories (STG) and multiscalar-tensor theories (MSTG) are templates accommodating large classes of currently proposed alternative theories. We seek to use the (M)STG attractor mechanism whereby cosmological solutions are dynamically driven to the vicinity of certain points in the scalar field phase space, thus making it reasonable to focus upon Taylor expansions around these points. By trying to meet the observations of local weak fields, expansion history, and growth of linear perturbations, we aim at filtering out unviable classes of theories and putting combined constraints on the parameters of the reminder. We will clarify the following issues. 1) Local weak field constraints: in our previous work we have analyzed constraints on the Jordan conformal frame STG coupling function arising from local weak field tests in the framework of parametrized post-Newtonian (PPN) formalism; this must be complemented by corresponding constraints on the scalar potential in the framework of the chameleon effect which was originally introduced in the Einstein conformal frame. 2) Attractor mechanism: our previous thorough investigations of cosmological models in the potential dominated era must be complemented by analogous investigations in the matter dominated era. 3) Accelerated expansion: we have proposed a necessary condition on STG coupling function for accelerated expansion to occur; now we will investigate more in detail the expansion history and matter dominated solutions near the attractor point using statefinder diagnostic plots. 4) Growth of perturbations: we will derive and investigate equations for linear perturbations given the underlying theory is STG and the solutions linger near the attractor point. 5) Multiscalar-tensor gravity: we will generalize our previous results in STG to the case of MSTG; the latter can be obtained from higher dimensional theories of strings and superstrings via the Kaluza-Klein compactification procedure.
Vaatluse all oli üldine skalaar-tensortüüpi gravitatsiooniteooria, kus gravitatsiooni kirjeldavad aegruumi meetriline tensor ja skalaarväli. Meetrika konformse teisenduse ja skalaarvälja reparametriseerimise abil saab teooriat esitada erinevates konformsetes raamides ja parametriseeringutes, kusjuures kindlal viisil teisenevad ka teoorias esinevad 4 funktsionaalset vabadusastet (skalaarvälja funktsiooni). Näidati, et nende funktsioonide abil saab ehitada invariante, mis nimetatud teisendustel ei muutu, ja teooria esitati nende invariantide kaudu. Arvutati kõige üldisemate väljavõrrandite parametriseeritud post-Newtoni (PPN) lähendus ja leiti tingimused, mil lähendusvõrrandid ühtivad üldrelatiivsusteooria vastava lähendi võrranditega (nn üldrelatiivsusteooria režiimi tingimused). Olulise näitena vaadati homogeenseid ja isotroopseid kosmoloogilisi mudeleid (nn Friedmanni mudeleid), kus kõik funktsioonid sõltuvad ainult kosmoloogilisest ajast. Näidati, kuidas kosmoloogiliste mudelite karakteristikud avalduvad invariantide kaudu. Skalaarse potentsiaaliga Friedmanni mudeleid uuriti skalaarvälja faasiruumis dünaamiliste süsteemide meetodil üldrelatiivsusteooria režiimile vastava kriitilise punkti ümbruses. Selgitati, kuidas on omavahel kooskõlas erinevates raamides antud lähendusvõrrandid, olgugi et parandusliikmete arvutamisel tuleb Einsteini raami lineaarvõrranditele vastavusse seada Jordani raami ruutvõrrandid. Leiti teoreetilised tingimused mitmesuguste kosmoloogiliste rebendite tekkimiseks ja piirangud neile Sn Ia vaatlusandmetest. Alustati tööd multiskalaar-tensortüüpi gravitatsiooniteooriate alal, kus gravitatsiooni kirjeldatakse meetrilise tensori ja N skalaarväljaga. Konstrueeriti üldise multiskalaar-tensorteooria mõjufunktsionaal, sellest tuletatud väljavõrrandid esitati nii Jordani kui Einsteini raamis. Käsitleti Friedmanni kosmoloogilisi mudeleid üldiselt N skalaarväljaga ja detailsemalt 2 skalaarväljaga. Viimasel juhul selgitati dünaamiliste süsteemide meetodil kriitiliste punktide asukohad ja leiti tingimused, mil need on atraktorid.

Vastutav täitja (1)

IsikKraadTöökoht ja ametCVOsalemise periood
Piret KuuskdoktorikraadEST / ENG01.01.2011−31.12.2014

Põhitäitjad (6)

IsikKraadTöökoht ja ametCVOsalemise periood
Andrjus FrantskjavitšiusEST / ENG05.10.2012−31.12.2014
Laur JärvdoktorikraadTartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut, teoreetilise füüsika vanemteadur (1,00)EST / ENG01.01.2011−31.12.2014
Erik RandlamagistrikraadEST / ENG01.01.2011−31.12.2014
Mihkel RünklamagistrikraadEST / ENG01.01.2012−31.12.2014
Margus SaaldoktorikraadTartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut, teoreetilise füüsika vanemteadur (1,00)EST / ENG01.01.2011−31.12.2014
Ott VilsonEST / ENG01.01.2012−31.12.2014
Publikatsioonid
Publikatsioonid
Järv, Laur; Kuusk, Piret; Saal, Margus; Vilson, Ott (2015). Invariant quantities in the scalar-tensor theories of gravitation. Physical Review D, 91, 024041-1−024041-13.10.1103/PhysRecD.91.024041.
Hohmann, Manuel; Järv, Laur; Kuusk, Piret; Randla, Erik (2013). Post-Newtonian parameters gamma and beta of scalar-tensor gravity with a general potential. Physical Review D, 88 (8), 084054-1−084054-8.10.1103/PhysRevD.88.084054.
Järv, Laur; Kuusk, Piret; Saal, Margus (2012). Scalar-tensor cosmologies with dust matter in the general relativity limit. Physical Review D, 85 (6), 064013-1−064913-9.10.1103/PhysRevD.85.064013.
Kuusk, Piret; Järv, Laur; Randla, Erik (2014). Scalar-tensor and multiscalar-tensor gravity and cosmological models. In: A. Makhlouf; E. Paal; S. Silvestrov; A. Stolin (Ed.). Algebra, Geometry and Mathematical Physics (551−562).. Springer-Verlag. (Springer Proceedings in Mathematics & Statistics; 85).
Paal, Eugen; Kuusk, Piret; Stolin, Alexander (2014). 3Quantum: Algebra Geometry Information. Journal of Physics: Conference Series , 532 (11001), 011001-1−011001-7.
Järv, Laur; Kuusk, Piret; Saal, Margus; Vilson, Ott (2014). Parametrizations in scalar-tensor theories of gravity and the limit of general relativity. In: E. Paal, P. Kuusk, A. Stolin (Ed.). Journal of Physics: Conference Series, 532 (012011-1−012011-11).. IOP Publishing Ltd.10.1088/1742-6596/532/1/012011.
Saal, Margus; Frantskjavitšius, Andrjus (2014). Examples of cosmological rips in the scalar-tensor cosmology. In: E.Paal, P.Kuusk, A.Stolin (Ed.). Journal of Physics: Conference series (012025-1−012025-11).. IOP Publishing Ltd.10.1088/1742-6596/532/1/012025.
Saal, Margus; Järv, Laur; Kuusk, Piret (2012). Scalar-tensor cosmological models converging to general relativity: potential dominated and matter dominated cases. Journal of Physics: Conference Series , 384, 012029-1−012029-8.10.1088/1742-6596/384/1/012029.
Saal, Margus; Järv, Laur; Kuusk, Piret (2011). Time evolution of scalar-tensor cosmologies in the general relativity limit. In: International Journal of Modern Physics: Conference Series (238−245).. World Scientific.10.1142/S2010194511001322.
Järv, Laur; Kuusk, Piret; Saal, Margus (2011). Super-Accelerated Expansion and Asymptotic Solutions in Scalar-Tensor Cosmology. Proceedings of the MG12 Meeting on General Relativity, Part C: 12th Marcel Grossmann Meeting on General Relativity; Paris; 12 – 18 July 2009. Ed. Damour, T.; Jantzen, R.; Ruffini, R. World Scientific Publ Co Pte Ltd, 2072−2074.
Saal, Margus; Järv, Laur; Kuusk, Piret (2011). Time evolution of potential dominated scalar-tensor cosmologies in the general relativity limit. Proceedings of the twentieth workshop on general relativity and gravitation in Japan: The 20th workshop on General Relativity and Gravitation in Japan, Kyoto, Japan, 21-25 September, 2011. Ed. Hiramatsu, Takashi; Sasaki, Misao; Shibata, Masaru, Shiromizu, Tetsuya. 323−327.
Järv, L.; Kuusk, P.; Saal, M. (2011). Potential dominated scalar-tensor cosmologies in the general relativity limit. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki., 153: Petrov 2010 Anniversary Symposium on General Relativity and Gravitation, Kazan, November 1-6, 2010. . 185−195. (Fiziko-matematicheskie nauki).
Vilson, Ott (2017). Some Remarks Concerning Invariant Quantities in Scalar-tensor Gravity. In: Advances in Applied Clifford Algebras (321−332). Springer. (1).10.1007/s00006-015-0567-4 [ilmumas].