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

Российская Академия Наук Главная астрономическая обсерватория

На правах рукописи УДК

Красников Сергей Владиленович

АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ГОЛДСТОУНОВСКИХ БОЗОНОВ (АРИОНОВ) И ФОТОНОВ.

/01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия/

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата 0"Ч11*6—математических наук

С.-Петербург 1993

Российская Академия Наук Главная астрономическая обсерватория

На правах рукописи

УДК

Красников Сергей Владиленович

АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ГОЛДСТОУНОБСКИХ БОЗОНОВ (АГИОНОВ) И ФОТОНОВ.

/01.05.02 - астрофизике*, радиоастронония/

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата ©ичмко-патематических наук

С.-Петербург 1993

Работа выполнена в ГАО РАН

Научный руководитель! профессор Ю.Н. Гнедым Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В. В. Бурдюжа доктор физико-математических наук М. Ю. Хлопов

Ведущая организация: Государственный астрономический

институт им. П. К. Штернберга.

Защита состоится "£¿1" _1994 г. в час. ЗОцнн.

на заседании специализированного совета К. 002, 97. 01 в Главной астрономической обсерватории Российской Академии Наук.

Адрес: 196140, Россия, Санкт-Петербург М-110, Пулково.

С диссертацией можно олмакомться о библиотеке Главной астрономический обсерватории Российской Академии Маук.

Ученый секретарь специализированно' г

кандидат фиэико-мате-мзтичгч » и*< чл^к

Ю. А. Наговицын

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Вопрос о той, существуют ли в природе 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 майоронов означало бы, что у нейтрино есть ненулевая мдсса, и астрофизика (помимо многочисленных явлений, обсуждаемых в диссертации, эти частицы могут сильно влиять на эволюцию звезд). Существование ариоиов (а под :*тим 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 могло бы иметь наблюдаемые последствия. Количественная оценка таких последствий яает возможность с одной стороны — скорректировать модели этих явлений (в случае, если ариомы будут обнаружены), а с другой стороны — получить новые тесты на сущее твование ариоиов.

Научна я новизна.

1. Получены явные формулы, описывающие на классическом уровне процесс взаимопревращений арионов и фотонов разных поляризаций о общем случае: наличие неоднородный (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

,А-2, max max

g i (1 - 10 )g , где g — установленная на сегодня верхняя

граница для д.

3. Обоснована необходимость модификации моделей магнитосферы

..-3 max

рддиопульсаров в предположении g & 10 g •

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

Научная и практическая ценность. Результаты диссертации позяопяют

1) Получить новое, ограничение на константу связи ариона с •стоном.

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

А также <■ случае% если арионы будут обнаружены)

3) Объяснить (по меньшей мере качественно) особенности поляризации нагни. них белых карликов и (ясли д окажется достаточно велика.1 происхождение огромного рентгеновского избыта

-¿г-

у звезд Гиад.

□ни также доказывает необходимость учета арионоа (в случав их существования) при построении моделей радиопульсаров и рентгеновского излучения галактик.

Апробация п°чультлтг>а.

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

университета, на международных чтения:: памяти Я. Б. Зельдовича (ГАИЦ.1992) и им. А. А. Фридмана (ГАО РАН, 1993), а также на симпозиуме "Компактные ядра активных галактик" (Кембридж,1992). 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 обосновывается актуальность решаемых 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. В §1.1 вкратце рассказывается о том, что такое арион. §1.2 - обэор существующих >кспррим»мтальны-: ограничений на свойства лрмпнд. р §1.3 вводятся необходимые обозначения, комментируете я вмбряимлч

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

Глава II. Осцилляции арион - Фотон (fa параграфов).

Во второй главе исследуются осцилляции арион Фотон в

преломляющей среде в присутствии магнитного паля. Уравнения >лектродинамики с учетом арионов и наличия среды выведены в §2.1. Из них в §2.2 получено волновое уравнение (рассматривавшееся и раыае) 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 того, каких наблнздаемы:: эффектов можно, в принципе, ожидать. Такие эффекты перечнелены о §7,4. Формулы из §2.3 позволяют также делать грубые количественные оценки. В §2.5 приведены такие ицемки для нксиома. Пиясирмп что в случае двух наиболее известны ? моделей ¿и. сиомз осцилляции аксиом - фотон в астрофизике наблюдаться, видима, не могут. П §2.6 рассмотрен случай, когда магнитное поле имеет cuc ran,isiwuiyw вдоль волнового вектора. Оказывается, что у ариона при >тпн возникает эффективная масса, настолько, однако, маленькая, что данный эффект представляет, по-видимому, искл>ччите льно академический интерес. Действие магнитного поля, таким образом, сводится просто к действию его поперечной составлямщей.

Г лава III. Привлиженмые методы. (С параграфов?

Третья глава посвящена приближенным методам, мозполямщмм рассматривать Солее реалистический случай нволморс'лмч" попей. В 1 уравнения движения припсдатся к линейной системе. Определяется сЗл<*сть npuf leminoc: i ■ i ,-тий сиетг-пи. rv-nTie

указанной линеаризации в §3.2 по теории возмущений получены формулы для превращения арион - фотон в слабых полях, а в §3.3 -на палых расстояниях. О §3.4 с помощью адиабатического приближения исследованы осцилляции в медленно меняющейся поле. Полученные выражения полезны и в случае постоянного паля, так как они иногда прощи, чем точные. О §3.5 таким способои наедена эллиптичность, приобретаемая лучом света после прохождения им однородного магнитного поля в лабораторных условия::.

Глава IV. Взаимопревращения арион — фотон в магнитном пол" звезд (2 параграфа).

Б главе IV рассматриваются различные проявления арионно-фотонны* превращении в глобальных магнитных поляк звезд. К таким проявлениям относятся: дополнительная рентгеновская све гимость (§4.1) и различные поляризационные эффекты (§4.2).

4

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

приобретать дополни гельную рент гсновскую светимость порядка

„ . , „ так. ^

Ю эрг/с (мри у - д ), причем возникающее таким образом

рентгеновское излучение должна быть сильно поляризовано, -»тот же

механизм должен приводить и к появлении? нетпплоро'-о

рентгеновского изл>чемия у одиночны:; магнитны.; белы:: карликов. Р

та?: та::

предположении в - у «у • Я ' кпнг гчиз связи

ае ае ае

ариона с электроном, рентгеновская светимость белого карлика с

. г-

магнмтным появм 10 Гс составит примерно половину его оптической светимости. Ь оптическом же диапазоне превращение части .испущенных ии фотонов в арионы приведет к сильным рппрри^дционнми »О'фектам. Так, например, нспушенммГ) с поверхности карлика пучок неполяри^ован»*ого снега приобретет при распрт: транемии в

-л-

магнитном поле частичную линейную поляризации Г^ 67.) даже при д = 0,1дЯ1АХ. 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.

Г лава V. Взаимопревращения ариом — фотом е галактических и межгалактически:; магнитных полях (4 параграфа) • В 5-й главе рассмотрены галактические и межгалактические поля. Взаимопревращения арионое и фотонов в >тих полях могут приводить к появлению дополнительного рентгеновского излучения от немагнитных звезд (§5.1) и галактик (§5.5) а также линии поглощения (так как в ар» юны из-за сложной зависимости коэффициента преломления от частоты, вызванной присутствием нейтрального водорода, будут превращаться лишь фотоны определенной "резонансной" частоты) в Уф-спектре звезд диска (§5.2). Превращение в арионы части фонового рентгеновского излучения в поле короны Галактики должно приводить к его неиэотропности, которая, однако, на практике не наблюдалась. Это и позволяет предположить (§5.4),что д » О,1дтах• Глава 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 некоторый утверждениям) она не может быть (в обозримом будущем) использована для о*раничения д. В §6.2 рассматривается влияние *ри_>нов на величину элекфическсл о и маг нитнсн о полей н

~з-

окрестности радиолу льсара. О* аэыо аетс я, оно настолько велико, что при g £ 10 арионное» поля необходимо учитывать при

построении модели пульсара..В 66.3 получено волновое уравнение с учетом всех трех классических полей , присутствуюипг' вблизи пульсара►

В заключении сформулированы основные результаты и выводи диссертации.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Построение классической модели взаимопревращений арионоо и фотонов разных поляризаций во внепнем магнитном, электрическом и api iqhmom полях.

2. » асчет дополнительной рентгеновской свртимости звеэд и Грл?^тик, вызванной такими пррярэнгинями в космических магнитных

ЛОЛ":'.

Z. Оценка влияния арион-фотомного взаимодействия на свойства рад* ^пульсаров.

4, Получение ар г yt ir» и та « пользу нового, бол«? с и ль но г о ограничения на константу свяли ариона с Фотоном.

Основные результаты диссертации иэло*емы в следующие стать ях 5

1. Гнедин 10. Р. , Красников С. В. Поляриметрически*» эффекты, связанные с обнаружением голдстоуновских бозонов, а звездах и

галактиках. - ЖЭТф, Т.102, 6, С.172? - 1737.

Т. Гнедин Ю. И., Красников С. В. Превращения арионоо в магнитном пог« чэо'эд как лоп - л^итрльный источник рентгеиооского из пучения. -П.к-^ - в Лсгроч. , Т.ГО, 1, С. 1 - 7.

~fC~

3. Gnadir» Yu. 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 axions.-MNRAS, 1993,submitted.

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

rieTep6yprKOMCTaT