Астрофизические проявления экзотических мелкомасштабных объектов гало Галактики

Кириллов, Александр Александрович

Астрофизические проявления экзотических мелкомасштабных объектов гало Галактики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Кириллов, Александр Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.16 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Астрофизические проявления экзотических мелкомасштабных объектов гало Галактики»

Автореферат диссертации на тему "Астрофизические проявления экзотических мелкомасштабных объектов гало Галактики"

На правах рукописи

Кириллов Александр Александрович

АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭКЗОТИЧЕСКИХ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ ОБЪЕКТОВ ГАЛО ГАЛАКТИКИ

01.04.16 — «Физика атомного ядра и элементарных частиц»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор

З О МАЙ ш

Москва — 2013

005060169

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» (НИЯУ МИФИ).

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Хлопов Максим Юрьевич Официальные оппоненты:

Герштейн Семен Соломонович, академик РАН, доктор физико-математических наук, ГНЦ РФ «Институт физики высоких энергий», главный научный сотрудник

Докучаев Вячеслав Иванович, доктор физико-математических наук, Институт ядерных исследований РАН, ведущий научный сотрудник Ведущая организация:

Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Нижний Архыз

Защита состоится «20» июня 2013 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.07 при НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ. Автореферат разослан «'£» мая 2013 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в двух экземплярах. заверенных печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

С. Е. Улин

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В астрофизике и космологии существует целый ряд неразрешенных задач, к важнейшим из которых можно отнести проблему скрытой массы (DM) Вселенной. Для объяснения ее природы предложено значительное количество независимых моделей. Их косвенной проверкой может служить анализ астрофизических данных по космическим лучам [1|. Аннигиляция или распад частиц скрытой массы могут приводить к появлению потоков высокоэнергетичных космических лучей, гамма-излучения, потоков нейтрино [2,3].

Из первичных возмущений плотности частиц скрытой массы в процессе эволюции образуются субструктуры (сгустки) в широком диапазоне масштабов и масс [4,5]. Повышенная плотность в сгустках и малые относительные скорости частиц приводят к росту темпа аннигиляции, что может привести к проявлению сгустков в виде источников гамма-излучения при существовании соответствующих каналов.

В то же время наблюдательные данные космических лучей и гамма-излучения включают целый ряд необъясненных явлений, природа которых может быть связана с частицами DM. Одной из таких проблем является регистрация значительного количества неидентифицированных точечных гамма-источников (ГИ). Полные обзоры неба, проведенные в экспериментах EGRET и Fermi LAT, привели к обнаружению 170 [6] и 575 неидентифицированных источников [7] соответственно. Стоит при этом отметить, что

LAT подтвердил лишь ~30 40% источников EGRET, что также составляет определенную проблему.

Происхождение неидентифицированных ГИ может быть связано с другой важной проблемой проверкой моделей образования первичных черных дыр (ПЧД) во Вселенной. ПЧД являются одной из возможных форм DM, связанной с процессами физики высоких энергий, протекающих в очень ранней Вселенной. На данный момент существует несколько механизмов образования ПЧД. Некоторые модели формирования массивных ПЧД в галактических центрах [8] предсказывают также множественное рождение более мелких черных дыр в широком диапазоне масс. При этом пространственное распределение таких ПЧД имеет кластерную структуру. Характерное время жизни такого объекта превосходит возраст современной Вселенной. Рассмотрение астрофизических проявлений отдельного кластера позволяет сделать вывод о возможности его регистрации в виде точечного гамма-источника. Гамма-излучение рождается за счет механизма испарения Хоукинга [9], интенсивность которого становится достаточно велика для ЧД малых масс, которые присутствуют в кластере.

Кроме того, предложения по проверке моделей происхождения неидентифицированных ГИ с помощью будущих гамма-телескопов приобретают особую важность в период подготовки научной и технической программы нового гамма-эксперимента ГАММА-400.

Цель работы

Целью работы является развитие метода поиска астрофизических проявлений сгустков скрытой пассы и кластеров первичных черных дыр, образующихся в ранней Вселенной, с помощью наблюдательных данных по неидентифицированным точечным источникам гамма-излучения.

Научная новизна работы

1. Впервые на основе данных о неотождествленных гамма-источниках получены допустимые области значений параметров сечения аннигиляции частиц скрытой массы, степенным образом зависящего от относительной скорости и учитывающего возможность наличия дополнительного взаимодействия кулоновского типа.

2. Впервые предложен кандидат на роль субдоминантной компоненты скрытой массы Вселенной тяжелое стабильное нейтрино с массой и. 47 ГэВ и дополнительным взаимодействием кулоновского типа, сгустки которого в Галактике могут проявляться в виде неидентифи-цированных источников гамма-излучения.

3. Впервые указана возможность проявления кластеров первичных черных дыр в виде источников гаммагизлучения.

4. Предложен новый кандидат (кластеры ПЧД) на объяснение гамма-источников неизвестного происхождения, обнаруженных в эксперименте Fermi LAT.

Результаты, выносимые на защиту

1. Разработка нового метода поиска астрофизических проявлений сгустков скрытой массы как-точечных гамма-источников.

2. Ограничения на параметры сечения аннигиляции частиц скрытой массы на основе данных Fermi LAT о точечных гамма-источниках.

3. Согласованность модели аннигилирующих массивных нейтрино 4-го поколения (с дополнительным взаимодействием кулоновского типа и массой » 47 ГэВ) с данными Fermi LAT о неидентифицированных источниках гамма-излучения.

4. Разработка нового метода поиска астрофизических проявлений кластеров первичных черных дыр как точечных гамма-источников.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы заключается в том, что выполненные исследования позволяют понять возможную природу неидентифицированных источников Fermi LAT и физику «реликтов» ранней Вселенной, способных формировать компактные экзотические объекты в Галактике. Полученные результаты также могут найти применение в будущих астрофизических экспериментах в области гамма-излучения.

Вклад автора

Личный вклад автора состоит в:

• определении областей параметров сечения аннигиляции частиц скрытой массы на основе данных эксперимента Fermi LAT о неидентифи-цированных ГИ;

• предсказании возможности наблюдения гамма-источников, меняющих свое положение на небесной сфере;

• формулировке и обосновании идеи о возможном проявлении кластеров первичных черных дыр в виде точечных гамма-источников;

• выполнении расчетов спектров излучения кластеров ПЧД, оценке возможного количества наблюдаемых гипотетических объектов;

• подготовке публикаций по выполненной работе и апробации результатов исследований.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на:

• Сессиях-конференциях секции ядерной физики ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», г. Москва, Россия, 2011, 2012 гг.

• Всероссийской астрономической конференции, Нижний Архыз, Россия, 2010 г.

• 31-й Всероссийской конференции по космическим лучам, г. Москва, Россия, 2010 г.

• Международной конференции «Современные проблемы гравитации, космологии и релятивистской астрофизики», г. Москва, Россия, 2010 г.

• Российском семинаре «Нелинейные поля в теории гравитации и космологии», г. Казань, Россия, 2010 г.

• Курчатовских молодежных научных школах, г. Москва, Россия, 2009, 2012 гг.

• Баксанской молодежной школе ЭТФ, Приэльбрусье, Россия, 2008 г.

• Научных сессиях МИФИ, г. Москва, Россия, 2008, 2009, 2010, 2013 гг.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из аннотации, введения, двух глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 89 страниц, 15 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 149 наименований.

Содержание работы

В диссертационной работе изучаются возможные астрофизические проявления экзотических мелкомасштабных объектов гало Галактики в виде точечных источников гамма-излучения. Рассмотрены 2 типа экзотических объектов, природа которых связана с «новой физикой» сверхранней Вселенной: сгустки скрытой массы и кластеры первичных черных дыр.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель, выносимые на защиту результаты, отмечены практическое значение и новизна полученных результатов.

В главе 1 рассматривается проблема поиска наблюдательных сигналов от сгустков скрытой массы. Холодная скрытая масса не образует такой плотной структуры, как барионное вещество (галактический диск, звезды и др.). Несмотря на это в ней возможно существование неоднородностей, представляющих области повышенной плотности, которые возникают за счет гравитационного скучивания (сгустки). Частицы скрытой массы формируют структуры в широком диапазоне масс (от мелкомасштабных с характерными массами 1СГ12 — 10~6МЭ до крупномасштабных с массами от 10пМе) [4,5]. Аннигиляция частиц виутри этих структур может приводить к появлению потоков высокоэнергетичных космических лучей, гамма-излучения, нейтрино [2,3]. Темп аннигиляции может усиливаться благодаря повышенной плотности частиц скрытой массы и малым относительным скоростям частиц. Оба условия могут реализоваться внутри сгустков [5,10]. В работе показано, что при определенных параметрах частиц и сгустков последние могут проявляться как источники гамма-излучения.

На данный момент нет единого мнения относительно формирующегося профиля плотности внутри сгустка (например, [11]). В работе проведено сравнение различных профилей и показана значительная чувствительность предсказаний в зависимости от выбора профиля.

Уменьшение относительных скоростей V частиц скрытой массы, сосредоточенных в сгустках, сильно влияет на темп аннигиляции, если соответствующее сечение <тагт зависит от скорости и (например, [12]). В работе

предложен вид параметризации сечения аннигиляции, включающий в себя широкий класс моделей частиц:

0"ann = х

где Р — свободный параметр. В работе рассматривается случай многокомпонентной скрытой массы, когда вклад в относительную плотность компоненты аннигилирующих частиц П < Qcdm определяется параметром со, где Ocdm ~ 0.2 — относительная плотность холодной скрытой массы во Вселенной. Фактор C(v, а) используется для учета возможности включения взаимодействия кулоновского типа (у-взаимодействия) частиц DM. Этот фактор приводит к усилению сечения аннигиляции при уменьшении v и имеет следующий вид [13]:

П \ - 2ira/v

{V'a)~ l-exp(-2na/vy

где а является аналогом постоянной тонкой структуры для дополнительного взаимодействия кулоновского типа. Указанное взаимодействие может немного уменьшать реликтовую плотность и значительно усиливать аннигиляцию в современной Вселенной, где скорости частиц малы [14]. Анни-гиляционные эффекты становятся значительны даже для субдоминантной компоненты скрытой массы П Ocdm, как это имеет место в случае тяжелых нейтрино [15].

В работе определены значения параметров сечения аннигиляции, при которых сгустки скрытой массы могут проявлять себя как неидентифи-

Рис. 1. Разрешенные и запрещенные области параметров /3 и сг0 для случая без дополнительного взаимодействия кулоновского типа. Представлены 2 значения минимальных масс сгустков.

цированные точечные источники гамма-излучения (PGS). Сравнение с наблюдательными данными по неидентифицированным источникам (эксперименты EGRET (1991-2000 гг.) [6] и Fermi LAT (2008-н.в.) [7]) позволяет получить ограничения на возможные значения пространства параметров (рис. 1, 2). Показано, что сгустки тяжелого стабильного нейтрино 4-го поколения с дополнительным взаимодействием кулоновского типа при массе частиц m » 47 ГэВ способны объяснить часть неидентифицированных источников Fermi LAT.

В работе предсказано, что случае близкого расположения сгустков скрытой массы к наблюдателю возможны эффекты смещения гамма-источника на небесной сфере. Это предсказание может частично объяснять несоответствие между данными каталогов экспериментов EGRET и LAT (источники, регистрируемые EGRET и не подтвержденные LAT).

Рис. 2. То же, что на рис. 1, но для случая с дополнительным взаимодействием. 1/4 на рисунке соответствует случаю тяжелого нейтрино с массой т « 47 ГэВ.

Показано, что сгустки могут наблюдаться в виде пространственно протяженных ГИ. Сделаны предсказания, доступные экспериментальной проверке в будущем эксперименте ГАММА-400 (рис. 3).

Глава 2 посвящена исследованию возможности астрофизического проявления кластеров первичных черных дыр (ПЧД). В рамках инфляционных сценариев рождения ПЧД, основанных на последовательности фазовых переходов с образованием доменных стенок, возможно формирование не одиночных черных дыр, а их кластеров с широким массовым спектром. Такие сценарии предсказывают появление сверхмассивных черных дыр в галактических ядрах, а также существование черных дыр малых масс с характерной структурой кластера в галактических гало на больших расстояниях от их центров [16].

В диссертации предложен метод обнаружения подобных кластеров чер-

M/MQ

Рис. 3. Показаны разрешенные и запрещенные области параметров ß и М для случая частиц без ^-взаимодействия для двух типичных значений ац. Сплошная (1) и штрих-пунктирная (2) линии соответствуют наблюдению одного неточечного источника для Fermi LAT и ГАММА-400 соответственно. При фиксированной массе М количество неточечных источников растет с увеличением ß.

ных дыр с помощью хоукинговского излучения [9]. Для одиночных малых ПЧД данный способ эффективен только для ПЧД вблизи Земли. Однако в кластерах количество малых черных дыр (с массами М < М, ~ 1015 г), которые дают вклад в гамма-излучение, может быть достаточно большим, чтобы интегральное излучение всего кластера было зарегистрировано как ГИ на Земле с большого расстояния. Это дает возможность альтернативного объяснения природы точечных неидентифицированных источников Fermi LAT.

В сценарии формирования массивных ПЧД предсказание современного массового распределения ПЧД в кластерах сильно зависит от начальных условий в период инфляции и параметров лагранжиана скалярного поля,

Рис. 4. Массовое распределение черных дыр в кластере, х = М/М,.

благодаря которому осуществляется фазовый переход. В работе был выбран потенциал скалярного поля

V (\ф\, в) = Л (ф'ф - i/2) 2 + Л4 (1 - cos 0).

Параметры Л, / и А определяют масштаб нарушения симметрии лагранжиана относительно группы U( 1). При значениях параметров / = 10.0 и Л = 1.66 в единицах параметра Хаббла на инфляционной стадии, и практически произвольном Л можно получить структуры кластеров с массовым распределением, представленным на рис. 4, и типичными размерами R ~ 1 пк и массами М ~ 1ОМ0. Начальные условия выбраны в предположении, что количество сформированных кластеров ПЧД заведомо больше, чем количество неидентифицированных ГИ, зарегистрированных в эксперименте Fermi LAT. При указанных значениях параметров в галактическом гало в ранней Вселенной должно было присутствовать ~ 1400 кластеров.

Оценки показали, что полученная плотность ПЧД в современной Вселенной Пцчд ~ 3 х Ю-10 и не противоречит существующим ограничениям [17].

Значительные искажения в результирующий массовый спектр в области малых масс (М < М„) вносятся за счет испарения ЧД (см. рис. 4). При этом неисчезающее значение распределения в данной области поддерживается хоукинговским испарением больших черных дыр в пределах того же кластера.

В работе рассчитан спектр гамма-излучения от кластеров ПЧД. Показано, что в области энергий, регистрируемых детектором Fermi LAT (Е1 > 100 МэВ), интенсивность излучения имеет вид 7 = dN/dEdt ос Е~3. Fermi LAT зарегистрировал 15 источников со спектральным индексом 3 в рамках ошибки 1 а и 93 источника в рамках Зет. Их распределение на небесной сфере является однородным, а количество находится в согласии с ожидаемым.

На рис. 5 представлен рассчитанный спектр фотонов от кластера ПЧД. Следует отметить, что максимум при Е1 ~ 10 МэВ в этом спектре соответствует значению Мс., ~ 1015 г в массовом спектре на рис. 4. Из рис. 5 видно, что рентгеновские телескопы не способны регистрировать кластеры ПЧД, поскольку их чувствительность намного меньше, чем пороговое значение, доступное для регистрации.

Таким образом, при определенном наборе параметров моделей сгустки DM и кластеры ПЧД могут проявлять себя в качестве неидентифициро-ванных источников гамма-излучения. Это может объяснять часть данных Fermi LAT. Важным отличительным свойством данных моделей являются их предсказанные спектры. Эти спектры в случае скрытой массы зависят

Рис. 5. Показан ожидаемый фотонный спектр от кластера ПЧД (закрашенная область). Под этой областью поток ожидается ниже интегральной чувствительности LAT (г > Rmах). Также показана дифференциальная чувствительность рентгеновских детекторов INTEGRAL и OSSE.

от выбранной модели частиц, например, для тяжелого нейтрино, которое может объяснять данные Fermi LAT, спектр получается более жестким (£Г2 при Е > 100 МэВ).

Также в диссертации показано, что заметное смещение на небесной сфере и наличие протяженных гамма-источников возможны только для сгустков скрытой массы.

В заключении перечислены основные результаты:

1. На основе данных Fermi LAT о неидентифицированных точечных ГИ определены разрешенные и запрещенные области параметров сечения аннигиляции частиц скрытой массы.

2. Данные Fermi LAT по неидентифицированным источникам согласуются с гипотезой об аннигиляции массивных нейтрино 4-го поколения

с массой яз 47 ГэВ и дополнительным взаимодействием кулоновского типа.

3. Показано, что сгустки скрытой массы могут проявляться как пространственно протяженные и меняющие свое положение на небесной сфере источники гамма-излучения.

4. Разработана новая модель поиска астрофизических проявлений кластеров первичных черных дыр как точечных гамма-источников.

Основное содержание диссертации было опубликовано в следующих работах

1. K.M. Belotsky, A.V. Berkov, A.A. Kirillov, S.G. Rubin «Black hole clusters within our galaxy», Gravitation к, Cosmology, 17 (1), 27-30, 2011;

2. K.M. Belotsky, A.V. Berkov, A.A. Kirillov, S.G. Rubin «Clusters of Black Holes as Point-Like Gamma-ray Sources», Astroparticle Physics, 35 28- -32, 2011, arXiv: astro-ph.HE/1212.2524;

3. Белоцкий K.M., Кириллов A.A., Хлопов М.Ю. «Астрофизические проявления сгустков холодной скрытой массы», Ядерная физика, 76 (4), 506-512, 2013;

K.M. Belotsky, A.A. Kirillov, M.Yu. Khlopov «Astrophysical Manifestations of Clumps of Cold Dark Matter», Physics of Atomic Nuclei, 76 (4), 469475, 2013;

4. К. М. Belotsky, A. A. Kirillov, М. Yu. Khlopov «Gamma-ray evidences of the dark matter clumps», arXiv: astro-ph.HE/1212.6087;

5. Белоцкий K.M., Кириллов A.A., Хлопов М.Ю. «Точечные гамма-источники как свидетельство скрытой массы», Труды 31-й Всероссийской конференции по космическим лучам, — М.: МГУ, 2010;

6. Белоцкий K.M., Кириллов A.A., Рубин С.Г. «О возможности обнаружения кластеров первичных черных дыр», Труды российского семинара «Нелинейные поля в теории гравитации и космологии», — Казань: Фолиантъ, 2010, стр. 146-147;

7. Кириллов A.A., Белоцкий K.M., Хлопов М.Ю. «Исследование возможности обнаружения сгустков скрытой массы как точечных источников гамма-излучения», Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ - М.: МИФИ, 2008, стр. 29-30;

8. Белоцкий K.M., Кириллов A.A., Хлопов М.Ю. «Исследование природы скрытой массы с помощью данных EGRET/FERMI о точечных гамма-источниках», Труды научной сессии НИЯУ МИФИ, — М.: МИФИ, 2010, стр. 29 32;

9. Белоцкий K.M., Кириллов A.A., Хлопов М.Ю. «Исследование возможности обнаружения сгустков скрытой массы как точечных источников гамма-излучения», Труды 9-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, — М.: МИФИ, 2009, стр. 21 30.

Список цитируемой литературы

1. Y. В. Zeldovich et al, "Astrophysical restrictions of the Heavy Stable Neutral Leptons Mass," Yad. Fiz. 31 (1980) 1286 1294.

2. L. Bergstrôm, "Non-baryonic dark matter: observational evidence and detection methods," Rep. Prog. Phys. 63 (2000) 793-841,

arXiv:hep-ph/0002126.

3. G. Bertone, D. Hooper, and J. Silk, "Particle dark matter: evidence, candidates and constraints," Phys. Rep. 405 (2005) 279-390, arXiv:hep-ph/0404175.

4. A. V. Gurevich and K. P. Zybin, "Large-scale structure of the Universe. Analytic theory.," Sov. Phys. Usp. 38 (1995) 687-722.

5. A. V. Gurevich, K. P. Zybin, and V. A. Sirota, "Small-scale structure of dark matter and microlensing.," Sov. Phys. Usp. 40 (1997) 869-898.

6. R. C. Hartman et al, "The Third EGRET Catalog of High-Energy Gamma-Ray Sources," Astrophys. J. Suppl. 123 (1999) 79-202.

7. P. L. Nolan et al., "Fermi Large Area Telescope Second Source Catalog," Astrophys. J. Suppl. 199 (2012) 31, arXiv: 1108.1435 [astro-ph.HE].

8. S. G. Rubin, A. S. Sakharov, and M. Y. Khlopov, "The Formation of Primary Galactic Nuclei during Phase Transitions in the Early Universe," Sov. Phys. JETP 92 (2001) 921-929, arXiv :hep-ph/0106187.

9. S. W. Hawking, "Particle creation by black holes," Comm. Math. Phys. 43 (1975) 199 220.

10. V. Berezinsky, V. Dokuchaev, and Y. Eroshenko, "Small-scale clumps in the galactic halo and dark matter annihilation," Phys. Rev. D 68 (2003) 103003, arXiv:astro-ph/0301551.

11. D. Merritt et al, "Empirical Models for Dark Matter Halos. I. Nonparametric Construction of Density Profiles and Comparison with Parametric Models," Astron. J. 132 (2006) 2685-2700,

arXiv:astro-ph/0509417.

12. J. Hisano et al, "Cosmological constraints on dark matter models with velocity-dependent annihilation cross section," Phys. Rev. D 83 (2011) 123511, arXiv:1102.4658 [hep-ph],

13. A. D. Sakharov, "Interaction of the electron and positron in pair production," Zh. Ehksp. Teor. Fiz. 18 (1948) 631-635.

14. K. M. Belotsky et al, "Effects of a new long-range interaction: Recombination of relic heavy neutrinos and antineutrinos," Grav. & Cosm. 11 (2005) 27-33, arXiv:astro-ph/0504621.

15. K. M. Belotsky et al, "May heavy neutrinos solve underground and cosmic-ray puzzles?," P/iys. of Atom. Nucl. 71 (2008) 147-161, arXiv:hep-ph/0411093.

16. M. Y. Khlopov, S. G. Rubin, and A. S. Sakharov, "Primordial structure of massive black hole clusters," Astropart. Phys. 23 (2005) 265-277,

arXiv:astro-ph/0401532.

17. B. J. Carr, K. Kohri, Y. Sendouda, and J. Yokoyama, "New cosmological constraints on primordial black holes," Phys. Rev. D 81 (2010) 104019, arXiv:0912.5297 [astro-ph.CO].

Подписано в печать:

15.05.2013

Заказ №8481 Тираж-90 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www. autoreferat. ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кириллов, Александр Александрович, Москва

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

04?ги ^59119 На правах рукописи

Кириллов Александр Александрович

АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭКЗОТИЧЕСКИХ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ ОБЪЕКТОВ ГАЛО ГАЛАКТИКИ

Специальность

01.04.16 — «Физика атомного ядра и элементарных частиц»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор М. Ю. Хлопов

Москва — 2013

Оглавление

Аннотация 3

Список сокращений 6

Введение 7

1 Сгустки холодной скрытой массы 14

1.1 Введение............................................................14

1.2 Холодная скрытая масса и ее мелкомасштабная структура в Галактике..........................................................19

1.2.1 Реликтовая плотность скрытой массы..................19

1.2.2 Сгустки холодной скрытой массы ......................22

1.3 Сгустки скрытой массы как источники гамма-излучения . . 26

1.4 Возможные наблюдательные свойства..........................37

1.4.1 Протяженные (неточечные) источники..................37

1.4.2 Смещающиеся источники................................41

1.5 Массовое распределение сгустков................................47

1.6 Выводы............................................................49

2 Кластеры первичных черных дыр 50

2.1 Механизмы образования первичных черных дыр..............50

2.2 Кластеры первичных черных дыр..............................52

2.3 Фотонный сигнал от кластеров ПЧД............................59

2.4 Сравнительный анализ кластеров первичных черных дыр и

сгустков скрытой массы..................... 63

2.5 Выводы.............................. 66

Заключение 68

Публикации результатов 69

Список использованных источников 71

Аннотация

В диссертационной работе изучаются возможные астрофизические проявления экзотических мелкомасштабных объектов гало Галактики в виде точечных источников гамма-излучения. Рассмотрены два типа экзотических объектов: сгустки скрытой массы и кластеры первичных черных дыр. Оба типа предсказываются как космологические следствия теории элементарных частиц, закладываемой в основу описания процессов сверхранней Вселенной.

Сгустками скрытой массы считаются мелкомасштабные неоднородно-стей плотности с характерными массами < 10_6Мо. В диссертации исследуются возможные наблюдательные сигналы от этих сгустков (глава 1). Предполагается, что сгустки являются источниками гамма-излучения, возникающего за счет аннигиляции частиц скрытой массы. Темп аннигиляции может усиливаться благодаря

а) повышенной плотности частиц скрытой массы;

б) малым относительным скоростям частиц V.

Оба условия реализуются внутри сгустков. Показано, что такие сгустки могут проявляться как неидентифицированные источники гамма-излучения.

Сечение аннигиляции частиц сапп(^) параметризуется в виде произвольной степенной зависимости от скорости V. Учитывается возможность наличия у частиц дополнительного взаимодействия кулоновского типа (которое описывается фактором Гамова-Зоммерфельда-Сахарова). Для общности

рассматривается случай многокомпонентной скрытой массы с относительной плотностью компоненты аннигилирующих частиц < 0.2. Определены значения параметров сечения аннигиляции, при которых возможно согласие с данными по неидентифицированным точечным источникам гамма-излучения, зарегистрированным в экспериментах EGRET (1991—2000 гг.) и Fermi LAT (2008—наст. вр.). Показано, что сгустки тяжелых стабильных нейтрино 4-ого поколения с дополнительным взаимодействием кулоновско-го типа при массе частиц m « 47 ГэВ способны объяснить часть неиден-тифицированных источников Fermi LAT.

Предсказания оказываются достаточно чувствительными к форме профиля плотности сгустков скрытой массы. Это позволяет использовать предлагаемый метод для ограничений неопределенностей параметров профиля при заданном сечении аннигиляции частиц.

Предсказано, что за счет возможного близкого расположения сгустков скрытой массы к наблюдателю, они могут проявлять эффект смещения на небе, а также наблюдаться как пространственно протяженные (неточечные) гамма-источники. Сделаны предсказания, доступные проверке в будущем эксперименте ГАММА-400.

Глава 2 посвящена исследованию возможности астрофизического проявления кластеров первичных черных дыр (ПЧД). Показано, что в рамках инфляционных сценариев рождения ПЧД в последовательности фазовых переходов возможно формирование не одиночных черных дыр, а их кластеров с широким массовым спектром (масса кластера ~ ЮМ©). Предполагается, что такие кластеры ПЧД являются источниками гамма-излучения за счет хоукинговского механизма испарения. Основной вклад в гамма-

излучение вносят маломассивные черные дыры (М < 1015 г) в кластере. На основе полученного потока, ожидаемых размеров и расстояний до них в Галактике делается вывод о том, что такие объекты могут проявлять себя в виде точечных неидентифицированных источников гамма-излучения.

Проводится сравнение предсказываемых сигналов от сгустков скрытой массы и кластеров ПЧД. Отмечается, что эффекты смещения, наличия неточечных гамма-источников могут иметь место только для сгустков скрытой массы. По данным Fermi LAT отобраны кандидаты в сгустки скрытой массы и кластеры ПЧД.

Полученные результаты имеют большое научное значение, поскольку представляют собой новый разработанный космомикрофизический метод поиска реликтов сверхранней Вселенной, основанный на современных астрофизических данных о неидентифицированных точечных источниках гамма-излучения.

Список сокращений

ГИ — гамма-источник;

КК — частицы типа Калуцы-Клейна;

KJI — космические лучи;

ПЧД — первичные черные дыры;

РИ — реликтовое излучение;

СМЧД — сверхмассивные черные дыры;

ЧД — черная дыра;

DM — dark matter, скрытая масса;

MD — matter dominated Universe, пылевая стадия развития Вселенной;

PGS — point-like gamma-ray source, точечный источник гамма-излучения;

RD — radiation dominated Universe, радиационно-доминированная стадия развития Вселенной;

WIMP — weakly interacting massive particle, слабовзаимодействующая массивная частица;

Введение

Актуальность темы

В астрофизике и космологии существует целый ряд неразрешенных проблем и задач, к важнейшей из которых можно отнести проблему скрытой массы (DM) Вселенной. Для-объяснения ее природы предложено значительное количество независимых моделей. Их косвенной проверкой может служить анализ астрофизических данных по космическим лучам. Аннигиляция или распад частиц скрытой массы могут приводить к появлению потоков высокоэнергетичных космических лучей, гамма-излучения, потоков нейтрино [1-7].

Из первичных возмущений плотности частиц скрытой массы в процессе эволюции образуются субструктуры (сгустки) в широком диапазоне их размеров и масс [8-13]. Повышенная плотность в сгустках и малые относительные скорости частиц в них приводят к росту скорости аннигиляции, что при существовании соответствующих каналов может привести к проявлению сгустков в виде источников гамма-излучения.

В то же время наблюдательные данные космических лучей и гамма-излучения имеют целый ряд необъясненных явлений, природа которых может быть связана с частицами DM. Одной из таких проблем является регистрация значительного количества неидентифицированных точечных гамма-источников (ГИ). Полные обзоры неба, проведенные в экспериментах EGRET и Fermi LAT, привели к обнаружению 170 (см. рис. 1) [14] и 575 неидентифицированных источников (см. рис. 2) [15] соответственно.

* Active Galactic Nuclei ■ Pulsars

® Unidentified EGRET Sources ¿ LMC

® Solar FLare

Рис. 1. Карта небесной сферы 3EG, полученная гамма-телескопом EGRET (CGRO) [14].

Природа большинства их них не ясна до сих пор. Стоит при этом отметить, что LAT подтвердил лишь ~30-40% источников EGRET, что так же составляет определенную проблему.

Кроме того, происхождение неидентифицированных ГИ может быть связано с другой важной проблемой — проверкой моделей образования первичных черных дыр (ПЧД) во Вселенной. ПЧД являются одной, из возможных форм DM, связанной с процессами физики высоких энергий, протекающих в очень ранней Вселенной. На данный момент существует несколько механизмов образования ПЧД. Некоторые модели формирования массивных ПЧД в галактических центрах [16,17] предсказывают также множественное рождение более мелких черных дыр в широком диапазоне

о No association - AGN

* Starburst Gal + Galaxy_

# Pulsar Ф PWN о SNR

® Possible association with SNR or PWN

Д Globular cluster н HMB * Nova

Рис. 2. Карта небесной сферы 2FGL, полученная гамма-телескопом Fermi

масс. При этом пространственное распределение таких ПЧД имеет кластерную структуру. Характерное время жизни такого объекта превосходит возраст современной Вселенной. Рассмотрение астрофизических проявлений отдельного кластера позволяет сделать вывод о возможности его регистрации в виде точечного гамма-источника. Гамма-излучение рождается за счет механизма испарения Хоукинга [18], интенсивность которого становится достаточно велика для ЧД малых масс, которые присутствуют в кластере.

Кроме того, одним из результатов диссертации является предложение по проверке рассмотренных моделей происхождения неидентифицирован-

LAT [15].

ных ГИ с помощью будущих гамма-телескопов, в частности ГАММА-400. В период подготовки научной и технической программы нового гамма-эксперимента полученные результаты приобретают особую важность.

Цель работы

Целью работы является развитие метода поиска астрофизических проявлений сгустков скрытой массы и кластеров первичных черных дыр, образующихся в ранней Вселенной, с помощью неидентифицированных точечных источников гамма-излучения, наблюдаемых в эксперименте Fermi LAT.

Научная новизна работы

2. Впервые выделен кандидат на роль субдоминантной компоненты скрытой массы Вселенной — тяжелое стабильное нейтрино с массой « 47 ГэВ с дополнительным взаимодействием кулоновского типа, сгустки которого в Галактике могут проявляться в виде неидентифицированных источников гамма-излучения.

к/

3. Впервые указана возможность проявления кластеров первичных чер-

ных дыр в виде источников гамма-излучения.

Результаты, выносимые на защиту

1. Разработка нового метода поиска астрофизических проявлений сгустков скрытой массы как точечных гамма-источников.

3. Согласованность модели аннигилирующих массивных нейтрино 4-ого поколения (с дополнительным взаимодействием кулоновского типа и массой « 47 ГэВ) с данными Fermi LAT о неидентифицированных источниках гамма-излучения.

Вклад автора

Представленные в диссертации результаты получены автором лично.

Достоверность полученных результатов

Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов диссертационной работы заключается в согласованности результатов настоящей работы с работами других авторов, публикацией результатов в рецензируемых журналах, и обсуждениях на научных конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается важность и актуальность поставленной задачи.

Глава 1 «Сгустки холодной скрытой массы» содержит обзор по проблеме поиска скрытой массы; описание формирующихся из нее структур (сгустков); анализ возможности проявления сгустков в космическом гамма-излучения. Определяются параметры сечения аннигиляции частиц скрытой массы, при которых возможно согласование с наблюдательными данными, полученными с помощью гамма-телескопа Fermi LAT, проводится поиск конкретных кандидатов. Анализируется возможность регистрации смещения сгустков на небесной сфере, а также проявления сгустков как пространственно протяженных гам м а-и сточ н и ков.

Глава 2 «Кластеры первичных черных дыр» содержит описание механизма возникновения ПЧД из доменных стенок в ранней Вселенной; анализируется возможность поиска астрофизических проявлений кластеров первичных черных дыр в виде неидентифицирован-ных точечных источников гамма-излучения, а также проводится поиск подходящих кандидатов среди каталога гамма-источников Fermi LAT. Сравниваются предсказания рассмотренных моделей.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы заключается в том, что выполненные исследования позволяют понять: возможную природу неидентифици-рованных источников Fermi LAT и физику «реликтов» ранней Вселенной, способных формировать компактные экзотические объекты в Галактике. Полученные результаты также могут найти применение в будущих астрофизических экспериментах в области гамма-излучения.

Глава 1

Сгустки холодной скрытой массы 1.1 Введение

Проблема существования скрытой массы (ЭМ) является одной из наиболее важных в современных астрофизике и космологии. Известно, что частицы БМ не проявляют себя в электромагнитных взаимодействиях, однако существует целый ряд наблюдательных свидетельств, доказывающих ее наличие: поведение кривых вращения [19,20], флуктуации космического микроволнового фона [10,21], формирование крупномасштабной структуры Вселенной [12,13,22]" и т.д.

Космологический анализ проблемы скрытой массы позволил сделать ряд заключений о некоторых свойствах скрытой массы, что ограничивает круг гипотез о ее физической природе. Известно, что данное вещество должно быть «холодного» типа. Это означает, что частицы ОМ в эпоху начала формирования крупномасштабной структуры Вселенной (галактик и их скоплений) должны быть нерелятивистскими («холодными»). С этой точки зрения предпочтительными являются гипотезы, в которых масса кандидата велика (типичное значение ^>1 ГэВ).

Другим очевидным свойством частиц скрытой массы является их практическая «стерильность» относительно электромагнитных взаимодействий. Это свойство обусловлено не только «невидимостью» скрытой массы, но и теорией формирования крупномасштабной структуры Вселенной и данны-

ми по анизотропии реликтового излучения (РИ). Действительно, согласно данным об анизотропии РИ величина (амплитуда) начальных (зародышевых) возмущений плотности вещества бр/р на период рекомбинации

300000 лет от начала расширения Вселенной) составляла ~ 10~4. В то время как теория формирования крупномасштабной структуры Вселенной предсказывает 10~3, т.е. в 10 раз больше наблюдаемого значения. Чтобы разрешить противоречие, необходимо предполагать наличие вещества, невзаимодействующего с реликтовым излучением (т.е. не обладающего электромагнитным взаимодействием), и при этом преобладающего по плотности, что позволяет ему играть основную роль при формировании структуры.

Помимо этого в случае равенства частиц и античастиц DM их электромагнитное взаимодействие приводило бы к сильному подавлению их современной плотности за счет аннигиляции в ранней Вселенной. Скорость аннигиляции на уровне слабого взаимодействия давало бы нужную реликтовую плотность.

Не менее очевидным свойством кандидатов скрытой массы является их (мета-)стабильность. Их время жизни должно быть не менее возраста Вселенной, то есть более 13.7 млрд лет.

Кроме того, прямые поиски частиц скрытой массы, проводящиеся на подземных установках, говорят о чрезвычайно малом сечении их взаимодействия с веществом [23-25].

Перечисленные свойства выделяют особую группу кандидатов в скрытую массу, получивших название WIMP1. Это стабильные частицы с мас-

1 Weakly Interacting Massive Particles

сой ^>1 ГэВ, обладающие взаимодействием на уровне слабого.

Существует целый ряд физических моделей, предлагающих свои кандидаты на роль БМ. В работах [26-28}, посвященных возможности существования тяжелых стабильных нейтральных лептонов, в качестве кандидата в БМ предложены тяжелые нейтрино и антинейтрино. В работах [1,2] на примере тяжелых нейтрино предложен косвенный метод поиска БМ по космическим лучам.

Начиная с работ [4,5,7], в качестве кандидатов в скрытую массу стали рассматривать тяжелые майорановские суперсимметричные частицы. Отсутствие суперсимметричных партнеров с массами, соответствующими массам частиц Стандартной модели, приводит к предположению о нарушении суперсимметрии. Однако предположение о наличии сохраняющегося мультипликативного квантового числа — Д-четность (для обычных частиц Я = +1, для суперпартнеров — Я, = — 1) обеспечивает стабильность ле