Аннотация:
Исследовано самогравитирующее хиггсово поле скалярного заряда для случая асимметричного скалярного дублета, содержащего наряду с канонической и фантомную компоненту. Показано, что в нулевом и первом приближениях по малости канонического и фантомного скалярных зарядов гравитационное поле скалярного заряда описывается метрикой Шварцшильда–де Ситтера с космологической постоянной, определяемой устойчивой точкой равновесия – вакуумным потенциалом канонического хиггсова поля и нулевым значением фантомного скалярного потенциала. Получено и исследовано уравнение на возмущение устойчивого значения потенциала, найдены асимптотики в ближней и дальней зонах. Проведено усреднение микроскопических осцилляций скалярного поля и показано, что знак вклада микроскопических осцилляций в макроскопическую энергию скалярного поля полностью определяется значениями фундаментальных констант потенциала Хиггса асимметричного скалярного дублета. Особо выделен случай, когда вклад осцилляций в макроскопические плотность энергии и давление строго равен нулю. Обсуждаются возможные приложения полученных решений.
Работа выполнена в соответствии с Программой Правительства Российской Федерации стратегического академического лидерства “Приоритет 2030” Казанского федерального университета.
Поступило в редакцию: 06.03.2024 После доработки: 12.04.2024
В работе [1] исследовалось самогравитирующее хиггсово поле одиночного массивного скалярного заряда. В этой работе было показано, что в первом приближении по малости скалярного заряда его скалярное поле близко к точке устойчивого равновесия $\Phi=\pm m_s/\sqrt{\alpha}$, а гравитационное поле описывается метрикой Шварцшильда–де Ситтера. При этом в дальней зоне $r\to \infty$ возникают микроскопические осцилляции с отрицательной средней энергией. Этот вопрос требует более глубокого и широкого изучения, в связи с чем в настоящей работе мы исследуем аналогичную задачу для асимметричного скалярного дублета [2].
В асимметричном скалярном дублете участвуют два скалярных поля – классическое поле $\Phi$ с положительной кинетической энергией и фантомное поле $\varphi$ с отрицательной кинетической энергией. Такие поля исследовались в так называемых двухполевых космологических моделях, например в работах [3]–[5] с потенциалом шестого порядка, в работах [6], [7] с экспоненциальным потенциалом и в работах [8], [9] в киральных космологических моделях1[x]1Кроме всего прочего, в работе [9] приведен достаточно объемный список наших работ по двухполевым космологическим моделям.. При этом фантомные поля привлекаются в космологию для обеспечения энергетического условия $\varepsilon+p<0$ в целях предотвращения “большого разрыва”2[x]2Big Rip, т. е. космологической сингулярности в будущем Вселенной. [10]. С другой стороны, фантомные поля используются и в астрофизике – как в теории черных дыр, так и в теории кротовых нор [11] (см. также [12], [13]) также в целях обеспечения указанного энергетического условия для обеспечения устойчивости объектов.
В связи с темой исследования настоящей статьи особо отметим работы [14]–[16], в которых рассматривается возможность существования скалярных гало и скалярных волос в окрестности сверхмассивных черных дыр. С этими работами, в свою очередь, тесно связаны работы по построению теории образования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной (см. работы [17]–[20] и содержащиеся в них ссылки).
Итак, рассмотрим функцию Лагранжа $L$ асимметричного скалярного хиггсова дублета с невзаимодействующими между собой канонической $(\Phi)$ и фантомной $(\varphi)$ компонентами (см., например, [2] и содержащуюся там библиографию):
– потенциальная энергия канонического и фантомного скалярных полей соответственно, $\alpha$, $\beta$ – их константы самодействия, $m_s$, $\mu_s$ – массы бозонов. Здесь и далее латинские буквы пробегают значения $\overline{1,4}$, греческие – $\overline{1,3}$. Всюду используется планковская система единиц $G=c=\hbar=1$. Тензор энергии-импульса скалярного дублета относительно функции Лагранжа (1) имеет вид
где $\Lambda_0$ – затравочное значение космологической постоянной, связанное с ее наблюдаемым значением $\Lambda$, получающимся при изъятии постоянных слагаемых в потенциальной энергии:
где $p_\parallel$ – радиальное давление, $p_\perp$ – давление вдоль поверхности сферы, $\varepsilon$ – плотность энергии скалярного поля.
2. Сферически-симметричное скалярное поле с потенциалом Хиггса точечного бинарного скалярного заряда в псевдоевклидовой метрике
Исследуем теперь гравитационное поле, порожденное бинарным скалярным зарядом с потенциалом Хиггса в метрике (6). Уравнения скалярных канонического и фантомного полей Хиггса в этой метрике имеют вид
Прежде чем приступить к нахождению сферически-симметричных решений полевых уравнений, исследуем устойчивость одномерных решений соответствующих полевых уравнений. Волновые уравнения для одномерных скалярных полей в псевдоевклидовой метрике имеют вид
Чтобы применить качественную теорию обыкновенных дифференциальных уравнений к нашей задаче, рассмотрим по отдельности две задачи. В первой из них скалярные поля зависят только от временно́й переменной $t$, т. е. $\Phi(t)$, $\varphi(t)$. Назовем эту ситуацию T-ситуацией. Во второй задаче скалярные поля зависят только от пространственной координаты $x$, т. е. $\Phi(x)$, $\varphi(x)$. Назовем эту ситуацию R-ситуацией.
2.1.1. T-ситуация
В этом случае, который соответствует, например, космологической ситуации, система уравнений (10) принимает вид
Таким образом, в T-ситуации для канонического скалярного поля нулевая точка $M^{(c)}_0(0,0)$ является устойчивым центром, а точки $M^{(c)}_\pm$ являются седловыми, т. е. им соответствуют неустойчивые решения. Для фантомного поля ситуация противоположная: нулевая точка $M^{(f)}_0(0,0)$ является седловой (неустойчивой), а точки $M^{(f)}_\pm$ являются устойчивыми центрами. В такой системе со временем решение должно стремиться к устойчивому, т. е.
Таким образом, в R-ситуации для канонического скалярного поля нулевая точка $M^{(c)}_0(0,0)$ является седловой, т. е. неустойчивой, а точки $M^{(c)}_\pm$ являются центрами, т. е. им соответствуют устойчивые периодические решения. Для фантомного поля ситуация противоположная: нулевая точка $M^{(f)}_0(0,0)$ является устойчивым центром, а точки $M^{(f)}_\pm$ являются седловыми, т. е. неустойчивыми. В такой системе со временем решение должно стремиться к устойчивому, т. е.
В настоящей работе нас интересует именно R-ситуация, поэтому мы обязаны отбирать решения с асимптотикой (19). Решения, не имеющие такой асимптотики, будут неустойчивыми, т. е. при малых изменениях начальных условий задачи Коши эти решения могут бесконечно отличаться друг от друга на пространственной бесконечности.
2.1.3. Дисперсионные соотношения
Рассмотрим теперь общее поведение решений $\{\Phi(x,t),\varphi(x,t)\}$ уравнений (10) вблизи особых точек (14) одномерных систем (11) и (17), представляя решения в форме
где $(\Phi_0,0)$ и $(\varphi_0,0)$ – координаты особых точек. Подставляя (20) в уравнения (10) и линеаризируя их малости $S,s$, получим систему однородных алгебраических уравнений относительно амплитуд $S,c$, условием нетривиальной разрешимости которых являются так называемые дисперсионные отношения, которые в нашем случае будут иметь следующий вид:
Таким образом, решения с $\Phi_0=0$ и $\varphi_0=\pm \mu_s/\sqrt{\beta}$ представляют собой пары запаздывающих и опережающих волн, в то время как решения с $\Phi_0=\pm m_s/\sqrt{\alpha}$ и $\varphi_0=0$ в областях $|k|<\sqrt{2}m_s$ и $|k|<\mu_s$ представляют собой стоячие волны с бесконечно растущей со временем амплитудой, т. е. эти решения неустойчивы в длинноволновом секторе возмущений. Итак, критерии устойчивости решений в общем случае аналогичны критериям устойчивости решений в T-ситуации. Заметим, что длинноволновой сектор возмущений как раз и описывает поведение решений на бесконечности.
2.1.4. Центрально-симметричные решения
Исследуем статические центрально-симметричные решения полевых уравнений. В псевдоевклидовой метрике уравнения (8), (9) в присутствии сингулярного бинарного скалярного заряда ${Q,q}$ принимают вид
т. е. ведут себя как напряженности электрического поля точечного заряда.
Наличие фундаментального скалярного поля с потенциалом Хиггса принципиально меняет физическую картину. Теперь вакуумному состоянию соответствует одна из устойчивых точек потенциала Хиггса
Согласно формуле перенормировки космологической постоянной (5) именно это значение соответствует вкладу фантомного поля в перенормированную космологическую постоянную в устойчивой точке системы
Заметим, что в работе [23] численными методами интегрировались уравнения поля для одиночных скалярных зарядов с потенциалом Хиггса в псевдоевклидовом пространстве. В этой работе было показано, что при задании начальных условий вдали от устойчивой точки (28) решение экспоненциально быстро стремится к этой точке, причем процесс перехода сопровождается затухающими вблизи устойчивой точки колебаниями.
Учитывая вышесказанное, исследуем решение полной задачи о самогравитирующем скалярном поле Хиггса. Нетривиальные комбинации уравнений Эйнштейна с космологической постоянной в метрике3[x]3Это комбинации уравнений $^1_1$, $^4_4$ и уравнения скалярного поля.(6) можно привести к виду
Тогда в нулевом приближении по малости $\phi(r),\varphi(r)$ полевые уравнения относительно скалярных полей (22) обращаются в тождество, а уравнение (31) дает
Таким образом, в нулевом приближении, как и в случае скалярного монополя [1], получаем известное решение Шварцшильда–де Ситтера [24] с перенормированной согласно (36) космологической постоянной:
Оказывается, что и в первом приближении по малости $\phi$ решение (38) остается справедливым. Действительно, вследствие (31) в первом приближении сохраняется соотношение (34), а значит, сохраняется и уравнение (35). Таким образом, метрика (38) сохраняется в линейном по $\phi$, $\varphi$ приближении. Поэтому в линейном приближении уравнение поля (8) можно рассматривать на фоне решения Шварцшильда–де Ситтера (38). Итак, получим в линейном приближении (33) уравнения для возмущений компонент скалярного дублета $\{\phi(r),\varphi(r)\}$:
Заметим, что совпадение с точностью до переобозначений полевых уравнений для линейных возмущений канонического и фантомного полей достигается именно вблизи R-устойчивой точки соответствующей динамической системы. Устойчивость решений приводит к их затухающему колебательному режиму вблизи устойчивой особой точки. Запишем также уравнения (41), (42) в форме нормальной системы уравнений первого порядка:
Аналитическое поведение решений уравнений (41), (42), как и численное моделирование их решений, было подробно изучено в работе [1].
4.1. Поведение решений вблизи сингулярности $r=0$
В случае $\gamma>4/27$, когда в решении Шварцшильда–де Ситтера (38) отсутствуют горизонты, решения уравнений (41), (42) являются аналитическими функциями на всей вещественной полуоси $x\in[0,+\infty)$. Заметим, однако, что в этом случае на всей полуоси $x\in[0,+\infty)$
т. е. всё пространство является $\mathrm{T}$-областью, поэтому для правильной интерпретации решений необходимо поменять местами временну́ю и радиальную координаты в метрике Шварцшильда–де Ситтера (38) [25]. При этом, кроме того, поменяются местами и компоненты тензора энергии-импульса $T^1_1$ и $T^4_4$, а значит, и скаляры $\varepsilon$ и $p_\parallel$.
При $x\to0$ уравнения поля (41), (42) сводятся к простым дифференциальным уравнениям второго порядка
где $\mathrm{I}_0(z)$ и $\mathrm{Y}_0(z)$ – функции Бесселя первого и второго рода соответственно. Таким образом, потенциалы скалярного поля логарифмически расходятся вблизи сингулярности, их же производные равны
На рис. 1 и 2 показаны разные части графика решений уравнения (в различных масштабах) (41) (или (42)), полученные численным интегрированием этого уравнения для значений параметров
Сплошными линиями на рис. 1, 2 обозначены графики, соответствующие параметрам $\sigma,\varrho=1$, штриховыми – $\sigma,\varrho=0.5$, штрихпунктирными – $\sigma,\varrho=2$. Как нетрудно видеть, при больших значениях $x$ эти графики описывают затухающие колебания с периодом (51), обратно пропорциональным $\sigma$, $\varrho$.
В случае малых значений $\gamma$ может образовываться промежуточная область с затухающими пропорционально $1/x$ колебаниями скалярного поля, которые в дальнейшем быстро падают [1]:
5.1. Усреднение осцилляций вблизи состояния устойчивого равновесия
Осцилляции скалярного дублета являются микроскопическими колебаниями с комптоновскими длинами волн $e^{i\sqrt{2}m_s r}$, $e^{i\mu_s r}$. Макроскопический наблюдатель измеряет лишь макроскопические характеристики, например макроскопические плотность энергии и давление. Учитывая быстроосциллирующий характер решений системы уравнений (43) при
Поскольку рассматриваемые нами решения имеют осциллирующий характер, макроскопические средние от нечетных степеней потенциалов и их производных обращаются в нуль. Таким образом, разлагая тензор энергии-импульса (7) в квадратичном приближении по малости $\phi(r)$, $\varphi(r)$ вблизи состояния устойчивого равновесия $\mathbf{S_0}$ (52), получим
Как можно видеть из предыдущего, во всех случаях справедливы следующие асимптотические решения полевых уравнений (либо (26) для плоского пространства, либо (55), (56) для поля Шварцшильда–де-Ситтера)4[x]4Точнее говоря, вместо $\cos$ надо написать линейную комбинацию $\cos$ и $\sin$, но это уточнение никак не влияет на конечный результат.:
Перенормируя согласно (36) космологическую постоянную, чему соответствует удаление постоянного слагаемого в (60), и подставляя в выражения (62), получим для макроскопических средних плотности энергии и давления осцилляций скалярного дублета
Во-первых, заметим, что левые части соотношений (63) представляют собой выражения для безразмерных нормированных макроскопической средней плотности энергии и радиального давления полей скалярного дублета.
Во-вторых, заметим, что в плоском пространстве-времени $\nu(r)=0\Rightarrow e^{\nu_0(r)}-1= 0$, $e^{\nu_0(r)}+1=2$. Поэтому в отсутствие гравитационного поля получим для макроскопических плотности энергии и давления скалярного поля (с учетом перенормировки космологической постоянной)
т. е. макроскопическая плотность энергии скалярных полей равна нулю.
В-третьих, заметим, что, в отличие от случая классического скалярного синглета [1], макроскопическая плотность энергии осцилляций теперь уже не обязательно отрицательна. Действительно,
так что для чисто классического скалярного поля ($\varphi=0$) $\overline{\varepsilon}<0$ (см. [1]), для чисто фантомного поля $\phi=0$, наоборот, $\overline{\varepsilon}>0$.
макроскопическая среда становится изотропной и описывается предельно жестким уравнением состояния.
5.2. Ориентация скалярного дублета
В дальнейшем при условии $2m_s^2|\phi_0|^2-\mu_s^2|\varphi_0|^2>0$ скалярный дублет будем называть канонически ориентированным, при условии $2m_s^2|\phi_0|^2-\mu_s^2|\varphi_0|^2<0$ – фантомно ориентированным, а в случае
– нейтральным. Из (64), (66) и (67) следует, что во всех случаях для нейтрального скалярного дублета $\overline{\varepsilon}=\overline{p_\parallel}=0$ макроскопические плотности энергии и давления строго равны нулю. В связи с этим выясним, каким микроскопическим параметрам отвечает нейтральный скалярный дублет.
Используя это значение в определении нейтрального скалярного дублета (69), получим $Q^2=2q^2$, т. е. нейтральному скалярному дублету соответствуют следующие фундаментальные параметры:
В случае положительной левой части (73) $\Upsilon>0$ скалярный дублет будет канонически ориентированным, в противоположном случае – фантомно ориентированным.
5.3. Масса скалярного гало черной дыры
Как мы уже отмечали в статье [1], микроскопические осцилляции скалярного поля воспринимаются внешним макроскопическим наблюдателем как некоторая жидкость с макроскопическими плотностью энергии и анизотропным давлением $\bar{p}_\parallel\not=\bar{p}_\perp=\bar{\varepsilon}$. Эту жидкость можно назвать скалярным гало черной дыры. Скалярное гало может иметь свою массу (см., например, [21])
Таким образом, в случае канонически ориентированного скалярного дублета масса скалярного гало отрицательна и уменьшает наблюдаемую массу черной дыры $m$. В случае фантомно ориентированного скалярного дублета наблюдаемая масса растет и в принципе может стремиться к бесконечности. В случае нейтрального скалярного дублета наблюдаемая масса черной дыры сохраняется.
6. Заключение
Подводя итоги статьи, отметим ее основные результаты.
• Построена и исследована математическая модель самогравитирующего асимметричного хиггсова скалярного дублета в случае сферической симметрии.
• Показано, что $R$-устойчивым решениям (см. п. 2.1.2) соответствуют решения, близкие к устойчивым точкам потенциала Хиггса (28) с отрицательной полной энергией скалярного дублета
При этом в дальней области решения полевых уравнений для скалярных полей имеют характер затухающих микроскопических осцилляций вокруг устойчивого решения.
• Показано, что устойчивым решениям соответствует метрика Шварцшильда–де Ситтера с переформатированным отрицательной энергией скалярного дублета значением космологической постоянной.
• Показано, что в дальней зоне $r\to\infty$ макроскопическая среда становится изотропной и соответствует идеальной жидкости с предельно жестким уравнением состояния.
• Вычислены макроскопические средние плотности энергии и давления скалярных осцилляций и показано, что полная макроскопическая плотность энергии осцилляций определяется с помощью фундаментальных констант скалярного заряда некоторой постоянной $\Upsilon$ (73): при $\Upsilon>0$ плотность энергии отрицательна (канонически ориентированный дублет), при $\Upsilon<0$ плотность энергии положительна (фантомно ориентированный дублет), при $\Upsilon=0$ плотность энергии равна нулю (нейтральный дублет).
• Показано, что нейтральному скалярному дублету соответствуют определенные соотношения между его фундаментальными константами.
Во-первых, заметим, что в случае фантомно ориентированного скалярного дублета рост массы скалярного гало при $r\to\infty$ в принципе ничем не ограничен, что ставит под сомнение возможность существования такого дублета. Во-вторых, заметим, что в случае канонически ориентированного скалярного дублета увеличение отрицательной массы скалярного гало ограничено массой черной дыры. В предельном случае $M_s=-m$ суммарная наблюдаемая масса черной дыры обращается в нуль. Поэтому дальнейший рост отрицательной энергии, по-видимому, должен прекратиться при некотором $r=r_\infty$. В этом случае бесконечно удаленный наблюдатель будет фиксировать полную нулевую массу объекта, хотя в окрестности черной дыры гравитационное поле будет сильным. Согласно (75) радиус гало этого объекта
Наконец, в-третьих, заметим, что в случае нейтрального скалярного дублета макроскопические плотность энергии, давление и масса гало строго равны нулю, т. е. с точки зрения макроскопического наблюдателя скалярное гало полностью отсутствует. Этот факт, а также устойчивость соответствующих полевых решений позволяют сформулировать предположение о возможном существовании сверхтяжелой разнородно скалярно заряженной частицы с фундаментальными параметрами потенциала Хиггса (72).
Конфликт интересов
Автор заявляет, что у него нет конфликта интересов.
Список литературы
1.
Ю. Г. Игнатьев, “Самогравитирующее хиггсово поле скалярного заряда”, ТМФ, 219:2 (2024), 299–314
2.
Ю. Г. Игнатьев, И. А. Кох, “Полная космологическая модель на основе асимметричного скалярного дублета Хиггса”, ТМФ, 207:1 (2021), 133–176
3.
I. Ya. Aref'eva, A. S. Koshelev, S. Yu. Vernov, “Crossing the $w=-1$ barrier in the D3-brane dark energy model”, Phys. Rev. D, 72:6 (2005), 064017, 11 pp., arXiv: astro-ph/0507067
4.
И. Я. Арефьева, С. Ю. Вернов, А. С. Кошелев, “Точное решение в струнной космологической модели”, ТМФ, 148:1 (2006), 23–41
5.
С. Ю. Вернов, “Построение точных решений в двухполевых космологических моделях”, ТМФ, 155:1 (2008), 47–61
6.
G. Leon, Qualitative analysis and characterization of two cosmologies including scalar fields, arXiv: 1412.5665
7.
G. Leon, A. Paliathanasis, J. L. Morales, “The past and future dynamics of quintom dark energy models”, Eur. Phys. J. C, 78 (2018), 753, 22 pp.
8.
S. V. Chervon, Chiral cosmological models: dark sector fields description, arXiv: 1403.7452
9.
V. Zhuravlev, S. Chervon, “Qualitative analysis of the dynamics of a two-component chiral cosmological model”, Universe, 6:11 (2020), 195, 21 pp.
10.
R. R. Caldwell, “A phantom menace? Cosmological consequences of a dark energy component with super-negative equation of state”, Phys. Lett. B, 545:1–2 (2002), 23–29
11.
K. A. Bronnikov, J. C. Fabris, “Regular phantom black holes”, Phys. Rev. Lett., 96:25 (2006), 251101, 4 pp., arXiv: gr-qc/0511109
12.
К. А. Бронников, С. Г. Рубин, Лекции по гравитации и космологии, МИФИ, М., 2008
13.
K. A. Bronnikov, S. G. Rubin, Black Holes, Cosmology and Extra Dimensions, World Sci., Singapore, 2013
14.
L. A. Ureña-López, A. R. Liddle, “Supermassive black holes in scalar field galaxy halos”, Phys. Rev. D, 66:8 (2002), 083005, 5 pp., arXiv: astro-ph/0207493
15.
P. V. P. Cunha, C. A. R. Herdeiro, E. Radu, H. F. Rúnarsson, “Shadows of Kerr black holes with and without scalar hair”, Internat. J. Modern Phys. D, 25:9 (2016), 1641021, 13 pp.
16.
P. Brax, P. Valageas, J. A. R. Cembranos, “Fate of scalar dark matter solitons around supermassive galactic black holes”, Phys. Rev. D, 101:2 (2020), 023521, 18 pp., arXiv: 1909.02614
17.
Ю. Г. Игнатьев, “Эволюция сферических возмущений в космологической среде вырожденных скалярно заряженных фермионов со скалярным взаимодействием Хиггса”, ТМФ, 215:3 (2023), 465–499, arXiv: 2306.17185
18.
Yu. G. Ignat'ev, “Formation of supermassive nuclei of black holes in the early Universe by the mechanism of scalar-gravitational instability. I. Local picture”, Gravit. Cosmol., 29:4 (2023), 327–344, arXiv: 2308.03192
19.
Yu. G. Ignat'ev, “Formation of supermassive nuclei of black holes in the early Universe by the mechanism of scalar-gravitational instability. II. Evolution of localized spherical perturbations”, Gravit. Cosmol., 30:1 (2024), 40–47, arXiv: 2311.09926
20.
Yu. G. Ignat'ev, “Formation of supermassive nuclei of black holes in the early Universe by the mechanism of scalar-gravitational instability. III. Large-scale picture”, Gravit. Cosmol., 30:2 (2024), 141–148, arXiv: 2312.00607
21.
Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая физика, т. 2, Теория поля, Физматлит, М., 1988
22.
О. И. Богоявленский, Методы качественной теории динамических систем в астрофизике и газовой динамике, Наука, М., 1980
23.
Yu. G. Ignat'ev, “Scalarly charged particles and interparticle interaction with the Higgs potential”, Gravit. Cosmol., 29:3 (2023), 213–219, arXiv: 2307.13767
24.
A. S. Eddington, Mathematical Theory of Relativity, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1960
25.
Я. Б. Зельдович, И. Д. Новиков, Теория тяготения и эволюция звезд, Наука, М., 1971
Образец цитирования:
Ю. Г. Игнатьев, “Самогравитирующее хиггсово поле асимметричного бинарного скалярного заряда”, ТМФ, 221:1 (2024), 138–153; Theoret. and Math. Phys., 221:1 (2024), 1711–1725