Астрофизические проявления взаимопревращений голдстоуновских бозонов (арионов) и фотонов тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Российская Академия Наук г

Главная астрономическая обсерватория

На правах рукописи УДК

Красников Сергей Владиленович

АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИИ ГОЛДСТОУНОВСКИХ БОЗОНОВ (АГИОНОВ) И ФОТОНОВ.

/01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия/

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

С.-Петербург 1993

РоссиЛская Академия Наук Г лаеная астрономическая обсерватория

На правах рукописи УДК

Красников Сергей Владиленович

АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ГОЛДСТОУНОБСКИХ БОЗОНОВ <АГИОНОВ> И ФОТОНОВ.

/01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия/

Автореферат диссертации на соискание уменой степени кандидата Опппко-математических наук

С.-Петербург 1993

Работа выполнена в ГАО РАМ

Научный руководитель! профессор Ю.Н. Гнедмн □фиииальмые оппоненты:

доктор фиэико-пдтематических наук В. В- Бурдюжа доктор фиэико-математическмк наук М. К). Хлопов

Ведущая организации: Государственный астрономический

институт им. П. К. Штернберга.

Защита состоится "241" реАр'ьл* " 1994 г. в час.^ши

на заседании специализированного соврта К.002.92.01 в Главной астрономической) обсерватории Российской Академии Наук.

Адрес: 196240, Россия, Санкт-Петербург М-140, Пулково.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной астрономической обсерватории Российской Академии Наук.

о Г Г

ОЛ^-Ы' 199/ года.

// '

Автореферат разослан

и

УчемыЛ секретарь специализированного совета кандидат »иэико~млтемзтич(?< ! ч-< илу». 10. А. Наговицын

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Вопрос о тон, существуют ли е природа некоторые элементарные (псевдо)скалярные частицы, существен сразу для нескольких областей физики. Это и теория элементарных частиц, так как элементарные скаляры присутствуют почти во всех теориях, но до сих пор экспериментально не было найдено ни одного, и космология - аксионы являются удачным кандидатом и на роль скрытой массы, и на роль инфлатонного поля, а существование майороное означало бы, что у нейтрино есть ненулевая масса, и астрофизика (помимо многочисленных явлений, обсуждаемых □ диссертации, эти частицы могут сильно влиять на эволюцию звезд). Существование арионов (а под :-*гип словом в диссертации понимаются и все вышеперечисленные частицы <в случае аксиомое — при условии очень малой массы)> важно и с общефизической точки зрения, так как означало бы существование нового дальнодействия ("пятая сила").

Цель диссертации.

О диссертации преследуется цель выявить не рассматривавшиеся до сих пор астрофизические явления, в которых существование арионоа могла бы иметь наблюдаемые последствия. Количественная оценка таких последствий дает возможность с одной стороны — скорректировать модели этих яэлений (в случае, если арионы будут обнаружены), а с другой стороны — получить новые тесты на существование арионов.

Научная новизна.

1. Получены явные формулы, пписывакмие на классическом уровне процесс взаимопревращений арномон и фотонов разных поляризаций в общем случае: наличие неоднородные <в масштабах много больших длимы волны) классических полей (магнитного, электрического и арионного) и неоднородной среды.

2. .Найден ряд доступных наблюдению (с учетом существующих технических возможностей) астрофизических проявлений

существования арионов с константой взаимодействия с фотоном

. max max

g г (1 - 10 >g , где g - установленная на сегодня верхняя

граница для д.

3. Обоснована необходимость модификации моделей магнитосферы радиопульсаров в предположении д г 10 g

4. Предъявлен аргумент в пользу нового, на порядок более сильного ограничения на константу связи ариома с Фотоном.

Научная и практическая ценность. Результаты диссертации позволяют

1) Получить новое, ограничение на константу связи ариоиа с Фотоном.

2) Предложить ряд наблюдений, которые подтвердили бы существование арионов,'либо наложили бы на их параметры новые ограничения (или подкрепили бы существующие, что желательно, так как они нодельно зависим«).

А также (в случае, если арионы будут обнаружены)

3) Объяснить (по меньшей пере качественно) особенности поляризации магн»г.ны>: белым карликов и (с?сли g окажется достаточно велика) лроисхпждсриие огромного рентгеновского иэбыткд

у звезд Гиад.

Они также доказывают необходимость учета арионов (в ел/мае их существования) при построении моделей радиопульсаров и рентгеновского излучения галактик.

Апробация результатов.

Результаты диссертации докладывались на научных семинарах ГАО РАН, ©ТИ им. А. О. Иоффе РАН, НПО "Радиевый институт им. В. Г. Хлопина, ЛИЯ0 им. Б. П. Константинова, Гринвичской обсерватории, университета г• Лейстер, Принстонского

университета, на международных чтения;: памяти Я. Б. Зельдовича (ГАИШ,1992) и им. А. А. Фридмана <ГАО РАИ, 1993), а также на симпозиуме "Компактные ядра активных галактик" (Кембридж,19921.

Объем диссертации.

Диссертация содержит страниц . Из них страниц текста, включая список литературы из 04 названий и 6 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

Во введении обосновываете я актуальность решаемы* в диссертации проблем, формулируются цели работы. Описана структура диссертации и положения, выносимые на защиту.

Глава I. Арион (3 параграфа).

Первая (обзорная) глава носит вводный характер. Р §1.1 вкратце рассказываете я о том, что такое арион. §1.2 - обзор существующих >кспррим*=»мтальнцгг ограничений на свойства дриомд. П §1.7 вводятся необходимые обозначения, комментируете я ембрдннл*

-е-

система единиц и уточняются рамки, в которых будет происходить дальнейшее рассмотрение.

Глава IX. Осцилляции арион - фотон (6 параграфов). Во второй главе исследуются осцилляции арион фотон в

Преломляющей среде в присутствии магнитного поля. Уравнения электродинамики с учетом арионов и наличия среды выведены в §2.1. Иа них в $2.2 получено волновое уравнение (рассматривавшееся и ранее) Для простейшего случая - волна распространяется Перпендикулярно внешнему магнитному полю. Это уравнение решается в §2.3 в предположении, что среда и поле однородны. Этот простой случай показывает механизм взаимопревращений арионов и фотонов и служит основой для выяснения тоги, каких наблюдаемы:: эффектов можно, в принципе, ожидать. Такие эффекты перечислены я §?.4. формулы иэ §2.Z позволяют также делать грубые количественные оценки. Ö §2.5 приведены такие оценки для аксиома. Пыяснрно что в случае двух наиболее известны? моделей псиона осцилляции аксиом - фотон в астрофизики наблюдаться, видимо, нр могут. Р §2.6 рассмотрен случай, когда магнитное поле имеет сис гая лгкмцую вдоль волнового вектора. Оказывается, что у ар»юна при этом возникает эффективная масса, настолько, однако, маленькая, что данный эффект представляет, по-видимому, - исключительно академический интерес. Действие магнитного поля, таким образом, сводится просто к действию его поперечной составляющей. Г лава 13 1. Приближенные методы. (5 параграфов) Третья глава посвящена приближенным методам, позволяющим рассматривать Солее реалистический случай м®однирс»д»мч полей. Р §3» I уравнения движения приведет с я к (меимр"« сис тем»?. Определяется ссла1ть применимое t •• » ?тим сис.гг-ми. и .-а пенгтое

указанной линеаризации в §5« 2 по теории возмущений получены формулы для превращения ApvAOvi - фотон в слабых полях, а в §3.3 -на малых расстояниях• D §3.4 с помощью адиабатического приближения исследованы осцилляции в медленно меняющемся поле. Полученные выражения полезны и в случае постоянного поля, так как они иногда проще, чем точные. D §3.5 таким способом найдена эллиптичность», приобретаемая лучом света после прохождения им однородного магнитного поля о лабораторных условиям.

Глава IV. Взаимопревращения ариэн — фотон в магнитном по яр звезд (2 параграфа).

В главе IV рассматриваются различные проявления

арионно~Оотонны>: превращений о глобальных магнитных полях зиеэд.

К таким проявлениям относятся: дополнительная рентгеновская

све гимость (§4.1) и р аэличные поляризационные эффекты (§4.2).

4

Выяснено, что Ар-звезды с магнитным полем 10 Гс за счет превращения испущенных из их недр арионое в фотоны должны

приобретать дополни тельную рентгеновскую светимость порядка

.^28 , , max. w _

10 эрг/с (при у ~ g ) , причем возникающее таким образом

рентгеновское мэлуче» ше должна ¿ыть сильно поляризовано. Этот же

механизм должен приводить и к появление? нетеплог>ого

рентгеновского излучения у одиночны): магнитны;: ¿или:: карлп^оо. Р

mai' mai:

предположении g = у , ^ае ~ ^ае • где ^ае ~ kOMr г сряэи

ариона с электроном, рентгеновская светимость (белого карлика с

g

магнитным полем 10 Гс сос гавит примерно половину его оптической светимости. D опгиччечом же диапазоне превращение части .истощенных им фотонов « ар ионы приведет к сильным пг»п»»рн?дционмми эффектам. Так, например, испущенной с поверхности ч^рлича пучок непалярмиой аннаг о с н r г a приибретет при сирос тр »нвмии я

-л-

магнитном поле частичную линейную поляризацию Р^ ~ 6V.) даже при д = 0,1дтаК. Еще на два порядка более сильные поляризационные Эффекты, вызванные обсуждаемым механизмом, должны возникать в излучении радиопульсара (если оно генерируется вблизи поверхности). Эти эффекты, однако, пока трудно проверяемы.

Глава V* Взаимопревращения арион — фотон в галактических и

межгалактически:: магнитных полях <4 параграфа) .

В 5—й главе рассмотрены галактические и межгалактические поля. Взаимопревращения арионов и Фотонов в этих полях могут приводить к появлению дополнительного рентгеновского излучения от немагнитных звезд (§5.1) и галактик (§5.3) а также линии поглощения (так как в армоны из—за сложной зависимости коэффициента преломления от частоты, вызванной присутствием нейтрального водорода, будут превращаться лишь фотоны определенной "резонансной" частоты) в УО-спектре звезд диска (§5.2). Превращение? а арионы части фонового рентгеновского излучения в поле короны Галактики должно приводить к его

неизотролности, которая, однако, на практике не наблюдалась. Это

, ш- .. _ тах

и позволяет предположить (§5.4),что д » 0,1д

Г лава VI. Классическое арионное поле.

Глава IV посвящена классическому арионному полю. В §6.1 оценивается разность времен прихода лево- и правополяризованных сигналов от радиопульсаров и выясняется, что (вопреки некоторым утверждениям) она не может быть (в обозримом будущем) использована для 01 раничении у. В §6.2 рассматривается влиимми ериинов на величину электрического и магнитно! о полей в

окрестносп« р адиопу ль capa. Ок азываетс я, оно настолько велика , -^та при g гг 10 Jgms" ар ионное? поле необходимо учитывать при построении модели пульсара, . Р попуч&но волновое уравнение» с

учетом всех треп классическим полеп , присутстоукнтгг вблизи пульсара.

В заключении сФормулироэамъ» ог.новньда результаты и вывода диссертации.

Результаты, выносимые на защиту:

1* Построение классической модели оэаимопревра»чениЛ арионов и фотонов разный поляризаций во внеинем магнитном, электрическом и api IQHHOM полях.

2* Насчет дополчительноП рентгеновской светимости пвезд и вызванной такими превр анемиям»! в кос mi »ческия магнитным

ПОЛ^:' ,

Оценка влияния арион-фотонного взаимодействия на свойства радиопульсаров.

4. Полудни*? аргумпмта н пользу нового, сильного

огр.-»мичения ма константу связи ариома с фотоном.

Основные результаты диссертации изложены е следующих стать я:< s

1. Гн^дин 10. В,, Красников С. В. Поляриметрические эффекты, связанные с обнаружением голдс гоуноескик бозонов, в звездам и

галактика*. - ЖЭТф, 1992, Т.102, 6, С.172? - t737. '7, Гнедин Ю. М. , Ир^смич-ов С. Р. Превращения арионов в магнитном пол«? к-эи лоп:лнительныЛ источник рентгенсшского из лучения. -

П в Остром. Т.ГО, 1, С. 1 - Т.

3. Gnedin Vu. N., Krasnikov S. V. Arions and neutron stars.-Astroph. and Astron. Trans., in press.

4. Gnedin Yu. N., Krasnikov S. V. X-ray fluxes of stars due to magnetic conversion of photons into massless ax ions.-MNRAS, 1993,submitted.

5. Krasnikov S. V. New astrophysical bound on (nearly) massless pseudoscalar—photon coupling.- Phys. Rev. Lett.,1993, submitted.

nerep6yprKOMCTaT 3aK. ty Twp. 8 0 :