Скалярные солитоны, бозонные звезды и черные дыры с полями материи

Новости, 14 июля 2021

Первой премией ОИЯИ за 2020 г. в номинации «Научно-исследовательские теоретические работы» был награжден коллектив авторов в составе: Ю. Кунц (Университет Ольденбурга, ФРГ), И. Перапечка (Белорусский государственный университет, Минск), Я. Шнир (Лаборатория теоретической физики ОИЯИ) за цикл работ «Скалярные солитоны, бозонные звезды и черные дыры с полями материи».

Ютта Кунц, Илья Перапечка, Яков Шнир


Одним из наиболее актуальных направлений исследований в современной теоретической физике является исследование решений общей теории относительности, описывающих черные дыры. С одной стороны, интерес к этому направлению связан с недавним возникновением и быстрым развитием экспериментальной гравитационной астрофизики, в частности, непосредственной регистрацией гравитационного излучения в процессе столкновения черных дыр, или наблюдения их тени. Физические процессы, связанные с присутствием горизонта событий, позволяют с высокой точностью определить пределы применимости классической теории гравитации и ее возможных расширений. Одним из ключевых элементов при этом является использование достижений современной вычислительной техники, применение новых алгоритмов вычислений, параллельных численных методов и массивных вычислений на распределенных кластерах. С другой стороны, решения, описывающие черные дыры с полями материи, играют фундаментальную роль в моделях голографической дуальности неабелевой теории Янга-Миллса и классической гравитации в пространстве анти де-Ситтера.

В работах, входящих в цикл «Скалярные солитоны, бозонные звезды и черные дыры с полями материи», впервые получен ряд важных, приоритетных результатов, представляющих большой научный интерес. В частности, обнаружен новый класс стационарных решений теории Эйнштейна с полями материи, описывающий фермионные моды, локализованные сильным гравитационным полем. Другим приоритетным результатом является нахождение нового семейства стационарных решений теории Эйнштейна-Скирма в асимптотически плоском пространстве с геометрией Керра, а также в пространстве с геометрией анти де Ситтера.

В работах данного цикла также показано существование новых аксиально-симметричных стационарных решений массивной теории Эйнштейна-Клейна-Гордона с геометрией Керра в синхронном вращении с горизонтом событий. С точки зрения голографической дуальности, очень важным является выполненное исследование термодинамических характеристик черных дыр с неабелевыми полями материи в SU(2) теории Эйнштейна-Янга-Миллса с геометрией анти де Ситтера. В ходе работ в этом направлении, была развита и успешно применена новая техника численного решения уравнений общей теории относительности, основанная на формализме Эйнштейна-де Турка.

Особенностью цикла работ является то, что в нем с единой точки зрения рассматриваются как топологические, так и не топологические солитоны в различных измерениях в плоском и искривленном пространстве-времени. Применяемые при этом численные методы позволили, в частности, обнаружить и с высокой точностью исследовать новый механизм резонансной передачи энергии между трансляционной модой солитонов и коллективными возбуждениями пертурбативного спектра, а также предсказать существование нового механизма взаимодействия солитонов, связанного с присутствием локализованных коллективных фермионных состояний. С точки зрения современного развития физики конденсированного состояния, большой интерес вызвало предсказание существования хопфионной фазы в динамике однокомпонентного конденсата Бозе-Эйнштейна, описываемого уравнением Гросса-Питаевского. Также предложено описание новых решений расширенной модели Скирма, описывающих кристаллическую структуру плотной солитонной материи и выполнен детальный анализ ее поведения при вариациях потенциала.

Представленные в цикле работы выполнены в ходе широкого международного сотрудничества с исследовательскими группами университета Дарема (Великобритания), университета Авейро (Португалия), университета Тель-Авива (Израиль), Ягеллонского университета Кракова (Польша), университета Токио (Япония), университета Сан Пауло (Бразилия) и другими научными институтами. Входящая в цикл монография „Topological and non-Topological Solitons in Scalar Field Theories” опубликована одним из наиболее авторитетных издательств „Cambridge University Press“ в 2018 г.

Яков Шнир,
ведущий научный сотрудник ЛТФ ОИЯИ