Исследование абсорбционных спектров квазаров с целью проверки возможной вариации фундаментальных физических констант в процессе космологической эволюции тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

: о РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

2 1 К*-''' ь.............

На правах рукописи

Иванчик Александр Владимирович

Исследование абсорбционных спектров квазаров

с целью проверки возможной вариации фундаментальных физических констант в процессе космологической эволюции

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

(Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в секторе теоретической астрофизики Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН

Научный руководитель: -

доктор физико-матем. наук, член-корреспондент РАН, профессор Д. А. Варшалович,

Официальные оппоненты: -

доктор физико-матем. наук, профессор Ю. Н. Гнедин (Главная астрономическая обсерватория РАН), кандидат физико-матем. наук, В. П. Чечев (Радиевый институт им.В.Г.Хлопина)„

Ведущая организация:

Государственный астрономический институт им. Штернберга, МГУ, Москва,

Защита состоится г. в Ю часов на заседании

диссертационного совета .23.01 при Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, С.-Петербург, Политехническая ул. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института шл. А. Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан НСсЩ-Ы: 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат физико-математических наук

А. Л. Орбели.

Актуальность работы

Тема диссертационной работы посвящена вопросам, находящимся на стыке космологии и физики элементарных частиц. Современные теоретические предсказания физики элементарных частиц ( Теорий Великого Объединения взаимодействий GUT и теории Суперструн) большей своей частью относятся к диапазону энергий, еще долгое время недостижимых даже для самых мощных ускорителей. Представления о структуре и симметрии пространства, строении материи связывают макрокосмос, и микромир. Поэтому, изучая раннюю Вселенную, где эффекты указанных выше теорий не являются исчезающе малыми, можно делать некоторые заключения относительно различных вариантов современных теорий физики элементарных частиц.

Одним из методов изучения ранних этапов эволюции Вселенной является метод, основанный на анализе спектров самых мощных из известных в настоящий момент в природе источников энерговыделения - квазаров. Абсорбционный спектр квазара, формирующийся в процессе распространения света от квазара к наблюдателю, по существу является пространственно-временной фотографией Вселенной. Абсорбционные детали спектра, сформировавшиеся 1012 млрд. лет назад, дают представление о физических условиях, существовавших на стадиях развития молодой Вселенной, возраст которой составлял менее 10% от его современного значения, рапного приблизительно 14 млрд. лет.

Данные, получаемые из анализа спектров квазаров, позволяют определять,какими были значения фундаментальных физических констант 10-12 млрд. лет назад.

Каждая теория имеет набор базовых (фундаментальных) параметров, основываясь на которых записываются законы физики. Теории великого объединения CUT (SUSY (JUT), теории ryncpcmpyii включают в себя классическую схему современной стандартной физики: сильное, слабое, электромагнитное взаимодействия, плюс, гравитация - как единое целое и в рамках концепции объединении рассматривают константы связи соответствующих теорий как различные модификации одной фундаментальной константы а<;ит- В рамках данных теорий привычные фундаментальные константы меняются не только с энергией взаимодействия (что надежно подтверждено экспериментом ['2, 5]), но и с космологическим временем. Ил последнюю возможность впервые указал Дирак в 19.17 г. [11].

Об особой актуальности этой проблемы говорит тот факт, что в последнее время появился ряд работ [10, 15, 19], где обнаружены аффекты, которые могли бы быть интерпретированы как изменение фундаментальных физических констант.

Цель работы

Данная диссертация посвящена анализу абсорбционных спектров квазаров с целью изучения физических условий на ранних стадиях эволюции Вселенной и космологических проявлений современных теорий физики элементарных частиц — исследованию возможного космологического изменения фундаментальных физических констант:

о: = е3/Л.с - постоянной тонкой структуры,

д = т,/т() — отношения масс электрона и протона,

характеризующих силу электромагнитного и ядерного взаимодействий, соответственно.

Научная новизна

a. Впервые на 6-метровом Телескопе САО РАН получены абсорбционные спектры квазаров (V ~ 1б"1) с высоким спектральным разрешением Р\УНМ < 0.2А. С пектры получены как в режиме "'одного порядка", с незначительно меняющейся вдоль порядка чувствительностью, так и в режиме "эшелле-с.пектра", покрывающего существенно больший диапазон длин волн. Наличие цифровых спектров, снятых разными методами, позволило в процессе их обработки сформулировать конкретные критерии и специальные методики спектрального анализа, которых необходимо придерживаться для получения адекватной информации об относительном расщеплении дублета IV.

b. Полученные пределы на скорости космологического изменения фундаментальных физических констант являются более

жесткими, чем результаты последних лабораторных измерений и результаты астрономических измерений, проводившихся недавно на 10-метровом Кек Телескопе (США). Предел на скорость изменения постоянной тонкой структуры <т в -шоху z= 1-4 является консервативным и наиболее надежным на сегодняшний день. Предел на скорость изменения отношения масс электрона и протона /г является наиболее жестким»к настоящему моменту.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка критериев отбора дублетов тонкого расщепления для их использования при решении сформулированной задачи.

2. а. Результаты наблюдений спектров высокого разрешения

(FWHM < 25км/с) слабых объектов (V > 15.8"'), квазаров HS 19/,6+76, S5 0014+81, $4 0636+68. полученных на (5-метровом телескопе CAO РАН.

Ь. Результаты обработки спектра высокого разрешения квазара PKS 0528-250, полученного на 4-метровом телескопе межамериканской обсерватории в Сьеро-Тололо.

3. Определение предела на скорость возможного космологического изменения постоянной тонкой структуры путем анализа величины тонкого расщепления дублета Si IV (А0 = 1393.755 À и 1402.770 Â) в спектрах далеких квазаров.

4. Определение предела на скорость возможного изменения отношения масс, электрона и протона путем анализа члектронно-колебательно-вращательных абсорбционных линий Но в спектре квазара PKS 0528-250.

Научная и практическая ценность

a. Полученные пределы на скорость возможного изменения о и // служат жесткими критериями отбора вариантов теории, предсказывающих изменение констант во времени.

b. Разработанная методика обработки спектров позволяет решать другие задачи метрологического характера при наблюдении слабых объектов.

Апробация

Результаты работы, представленной в диссертации, неоднократно докладывались на семинарах сектора теоретической астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, на семинарах института Макса Планка в Гарчинге 1995, а также на конференции "Релятивистская астрофизика и космология", (Копенгаген, 1996); на И Международной Саха-ровс.кой конференции по физике, (Москва, 1996); на XIV конференции "Актуальные проблемы внегалактической астрономии", (Пущи-но, 1997); на .'5 Международной конференции по космомикрофизике "К()СМИОН-97'\ (Москва, 1997); на Общемосковском астрономическом семинаре ГАИШ (МГУ; Москва, 1998).

Работа [1] (из списка "Публикации по теме диссертации") вошла в цикл работ, удостоенных Главной Премии МАИК "НАУКА" за лучшие публикации в области естественных наук в журналах, издаваемых "Международным Академическим Издательством "НАУКА" в 199(5 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации - 71 страница; включая 13 рисунков. Список литературы насчитывает 84 наименования.

Содержание

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована главная цель работы. Приведены краткие сведения об основных положениях современных теорий объединения фундаментальных взаимодействий. Кратко представлена суть астрофизического метода определения верхних пределов на возможное изменение фундаментальных физических констант путем анализа абсорбционных спектров квазаров. Представлена общая структура диссертации.

В первой главе описывается возникновение и развитие представлений о непостоянстве фундаментальных физических констант в развивающейся нестационарной Вселенной. Представлена эволюция взглядов на природу возможного космологического изменения

фундаментальных физических констант - от гипотезы Дирака до сегодняшних представлений, основанных на современных теориях физики элементарных частиц и космологии.

В п. 1.2 изложен современный статус проблемы непостоянства физических констант, который можно охарактеризовать следующими положениями:

• Эффективные константы связи, характеризующие силы взаимодействия, меняются с энергией взаимодействия. (Этот вывод о " бегущих с энергией" константах связи подтвержден экспериментально, см. например [2], [5], [7]).

• Константы могут изменяться со временем в процессе космологической эволюции.

• Значения констант могут не совпадать в разных пространственных областях (Инфляционные модели [()])

Что касается последних двух пунктов в настоящее времч установлены лишь верхние пределы на возможные отклонения констант Именно этим вопросам, в основном, посвящена данная диссертация.

В п. 1.2.1 рассматриваются современные представления о вариации констант связи в струнных теориях [3, 4] и в модифицированных теориях типа Калуцы-Клейна [12, 13], которые естественным образом возникают в процессе динамической компактификации дополнительных измерений 4 4- Д-мерного пространства.

В п. 1.3 рассматриваются различные методы определения возможной вариации констант и полученные (другими авторами) на основе этих методов пределы на скорости вариаций фундаментальных констант. Обсуждаются достоинства и недостатки каждого из методов. Особое внимание уделено феномену "Окло", считается, что из анализа данных о природном ядерном реакторе, действовавшем в Окло 1.8 млрд. лет назад, получают наиболее жесткие оценки на вариации констант [17, 9], хотя эти оценки зависят от ряда предположений. В данной работе рассматривается гипотеза, в рамках которой указанные оценки оказываются не столь жесткими.

В п. 1.3.4 описана суть астрофизического метода, являющегося наименее модельно зависимым и позволяющего, в отличие от всех остальных методов, изучать не только локальное отклонение значений фундаментальных констант, но и исследовать пространственно-временное распределение их возможных отклонений.

Во второй главе подробно рассматривается астрофизический метод определения скорости возможной космологической вариации основного параметра квантовой электродинамики - постоянной тонкой структуры а = f2/fic. Метод основан на изучении спектров тонкого расщепления дублетов тяжелых элементов.

Астрофизический метод сравнения спектральных линий далеких квазаров и галактик, позволяющий оценить величину л на ранних этапах эволюции Вселенной, был предложен Саведовым в 1956 г. [16].

В спектрах квазаров наблюдаются абсорбционные резонансные линии ионов С IV, N V, О VI, Mg II, Al III, Si IV, соответствующие переходам .S'1/2 —' Р3/2 (-^l) и S\/2 —> ^1/2 (^2)- Различие Ai и Аг обусловлено тонким расщеплением уровней энергии Р3/2 и Р\/2 (см. рис.1).

Относительная величина тонкого расщепления соответствующих резонансных линий в низшем порядке разложения по а пропорциональна а2:

уосс/, (1)

где 6Х = А2 — Ai и А = (А2 + А] )/2. Поэтому отношение (¿¡А/А), /(<5А/А)0 равно («,/«(>)", где индекс г соответствует дублету тонкого расщепления в спектре квазара, а индекс 0 - лабораторному значению. Исходя из вышесказанного, относительное изменение «, в предположении малости величины (Д(*/л), может быть представлено в следующей форме:

2

(¿А/Х)г _ 1

[(¿А/А)0

(2)

Таким образом, измеряя Ах и А^ в абсорбционной системе, соответствующей красному смещению г, и сравнивая полученные значения с лабораторными, можно непосредственно оценить отличие значения а, соответствующего эпохе г, от современного значения.

В п. '2.4 приведены наблюдательные данные, полученные на 6-метровом телескопе САО РАН. В результате обработки цифровых спектров, анализа многокомпонентной структуры выработаны критерии, которые необходимо соблюдать при отборе дублетов, пригодных для чакого спектрально-цифрового анализа.

В п. 2.5 на основе анализа дублетного расщепления абсорбционных линий ионов 81 IV, наблюдаемых в спектрах квазаров, полученных на 6-метровом телескопе, а также отобранных из междуна-

1.2

0.6

0.4

0.2

г =2.843357(2)

5340 5360 5380 5400

1

1393.755 А / к* О ы -Л О >• ч

/////// ///У//////////

5420

^оЬэ А

3/2

1/2

IV

1/2

Рис.. 1: Дублет тонкого расщепления резонансной линии IV в спектре квазара Н$ 1946+76, снятого на С-метровом Телескопе САО РАН. Схема энергетических уровней IV и переходов, соответствующих указанным линиям.

родных банков данных и литературы, определена средняя величина возможного отклонения постоянной тонкой структуры в эпоху z='2-4 и ошибки ее измерения (статистическая и систематическая):

(До/«) = (-4.2±5.4[siai]±8.0[syei]) х Ю-5. (3)

Соответствующий верхний предел на возможное отклонение a на 95% доверительном уровне есть

|Aa/a| < f = 2.3 х 1(Г4, (4)

Третья глава посвящена изучению (одной из двух, известных на сегодняшний день) абсорбционной системы молекулярного водорода Н2 в спектре квазара PKS 0528-250, полученного на 4-метровом телескопе Межамериканской Обсерватории а Сьеро-Тололо. К настоящему времени, по своему качеству (разрешение FWHM<25 км/с; отношение сигнала к шуму S/N>20) представленный спектр является лучшим спектром системы молекулярного водорода с большим красным смещением. На рис. 2 представлены два фрагмента спектра квазара PKS 0528-250 с вписанным в эксперимента льные данные синтетическим спектром.

В п. 3.2 описывается метод анализа электронно-вращательно-колебательных уровней молекулярного водорода, основанный на введении коэффициентов чувствительности, предложенных и рассчитанных Варшаловичем и Левшаковым (1993) [1].

В п. 3.4 представлена таблица, содержащая 50 надежно отождествленных абсорбционных линий молекулярного водорода. Отметим. что аналогичная задача, с использованием методики пред ложенной авторами работы [1], была выполнена в 1995 г. на 10-метровом Кек 1 телескопе. В «той работе были проанализированы лишь 19 линий [8].

На основе анализа 50 линий, проведенного нами с использованием метода коэффициентов чувствительности, получен наиболее жесткий предел на отношение масс электрона и протона из всех существующих на настоящий момент. Результаты измерений длин но ли указанных линий привели к следующей оценке [14]:

Д/i/'/i = (-11.5 ±7.6) х Ю-5 . (5)

Среднее значение отклоняется от нуля более чем на 1.5<т, но на статистически значимом уровне (2<х) отклонения не обнаружено.

L 4-0

Длина волны, (А)

L 7-0 and W 0-0

Длина волны, (А)

Рис. "2: Фрагменты спектра PKS 0528-250. содержащие линии поглощения молекулярного водорода Н2 лаймановской и вер-неровской серий.

Четвертая глава посвящена теоретическим следствиям, которые можно получить на основе пределов, определенных в главах 2 и 3. Первое, что обсуждается - п. 4.1 - возможность определения верхнего предела на изменение массы протона.

Принимая во внимание верхние пределы на а и , полученные в главе 2 и 3, определен предел на возможное изменение массы протона, связанное с. изменением константы сильного взаимодействия:

-14 „„„-1

Шр + а

- < —

Тор с*

= 3.4 х 10"14 год"1. (6)

В п. 4.2 обсуждается анизотропия отклонения а по небесной сфере, возможность которой имеется в инфляционных моделях. Представленные относительные отклонения постоянной тонкой структуры измерялись в спектрах различных квазаров, имеющих противоположные направления на небесной сфере и, следовательно, характеризуют области пространства-времени, являвшиеся причинно несвязанными в моменты формирования этих спектров. Поэтому на уровне |Дс*/(у| < 2.7 х Ю-4 можно говорить об изотропии пространства относительно фазовых переходов вакуума, порождающих собственный набор фундаментальных констант в причинно-несвязанных областях.

В п. 4.3 указан ряд моделей, допускающих изменение констант, но противоречащих полученным нами наблюдаемым данным. В п. 4.4 приведены ограничения на параметры скалярно-тензорных моделей.

В заключении приведены основные результаты, выносимые на защиту:

1. а. Впервые в России измерены спектры высокого разрешения (Г\УНМ < 25км/с) слабых объектов (V > 15.8"') в ходе наблюдения квазаров НЯ 1946+76, 55 0014+81, 84 0636+68 на 6-метровом телескопе ОАО РАН.

Ь. Впервые измерены с точностью ДА < 0.1 А значения длин волн 50 линий абсорбционной системы молекулярного водорода с большим красным смещением г=2.811. Линии измерены в спектре высокого разрешения квазара РК8 0528-250, полученного на 4-метровом телескопе межамериканской обсерватории в Оьеро-Тололо.

2. Из анализа величины тонкого расщепления дублета Si IV (А0 = 1393.755 Á и 1402.770 À) в спектрах далеких квазаров, определен наиболее надежный на сегодняшний день предел на скорость возможного космологического изменения постоянной тонкой структуры:

I à/« I < 1.9 X Ю-14 год~\

3. Из анализа электронно-колебательно-вращательных линий Н2 в спектре квазара PKS 0528-250 определен наиболее жесткий предел на скорость возможного изменения отношения масс электрона и протона:

I (t/it\< 1.5 X Ю-14 год"1,

Публикации по теме диссертации

1. Д.А. Варшалович, В.Е. Панчук, A.B. Иванчик. Абсорбционные системы в спектрах квазаров HS 1946+ 76, S5 0014+81, S'4 0636+68. Новые, ограничения на космологическое изменение постоянной тонкой структуры. Письма в Астрономический Журнал, 1996, 22, No. 1, 8-16.

2. A.Y. Potekhin, A.V. Ivanchik, D.A. Varshalovich, K.M. Lanzetta, J.A. Baldwin, G.M. Williger, R.F. Cars well.

Testing Cosmological Variability of the Proton-to-Electron Mass Ratio Using the Spectrum of PKS 0528-250 Astrophysical Journal, 1998, 505, 523-528.

3. Д.А. Варшалович, A.B. Иванчик, А.Ю. Потехин. Менялись ли в процессе космологической эволюции фундаментальные физические константы? Известия РАН, Сер. Физ., 1998, 62, No. 9, 1714-1716.

4. V.E. Pancliuk, I.D. Najdenov, V.G. Klochkova, A.V. Ivauchik, S.V. Ermakov, V.A. Murzin.

High resolution spectroscopy of fiant objects at the 6m telescope. Bulletin Special Astropliys. Observatory, 1998, 44, 127-131.

5. D.A. Varshalovich, A.Y. Potekhin, A.V. Ivancliik. Fundamental physical constants: Arc their values the same in different regions of the Universe f Have they changed in ten billion years?

Review of Global Scientific Achievements (Journal of Journals), 1997, 1, No. 1, 7-11.

6. D.A. Varshalovich, A.Y. Potekhin, A.V. Ivanchik, V.E. Panchuk, K.M. Lanzetta. Testing Cosrnological Variations of Fundamental Physical Constants.

The II International Sakharov Conference on Physics. Eds. I.M. Dremin к A.D. Semikhatov, 1997, 178-182, World Scientific, Singapore.

7. D.A. Varshalovich, A.Y. Potekhin, A.V. Ivanchik. Testing Cosrnological Variations of Fundamental Physical Constants by Analysis of Quasar Spectra.

International Conference on "Relativistic. Astrophysics". (10-13 Jan. 1996) Copenhagen. Poster Abstracts, 1996,30-31.

8. A.V. Ivanchik, A.Y. Potekhin, D.A. Varshalovich

The fine-structure constant: A new observational limit on its cosrnological variation and some theoretical consequences. Astronomy and Astrophysics, 1999, 346, 141.

9. D.Ershov, S.A. Gulyaev, A. Ivanchik, D.A. Varshalovich, A. Tsivilev

Interpretation of anomalous helium abundance derived from radio recombination line observations of nebulae. Astronomical and Astrophysical Transactions, 1998, 15, 281.

10. Д.А. Варшалович, А.Ю. Потехин, А.В. Иванчик,

B.E. Панчук, К. Ланцетта. Проверка космологической переменности фундаментальных физических констант на основе анализа спектров квазаров. Препринт ФТИ-1696, С.-Петербург, 1997, 12 с.

Список литературы

[1] Варшалович Д.А., Левшаков С.А., 1993 Письма в ЖЭТФ, 58, 237 .

[2] Высоцкий М.И., Новиков В.А., Окунь Л.Б., Розанов А.Н., 1996, УФН, 166, No. 5, 539.

[3] Грин М., Шварц Дж., Виттен Э., 1990, Теория суперструн, 1,2 т. М: Мир.

[4] Кетов C.B., 1990, Введение в квантовую теорию струн и суперструн. Новосибирск: Наука.

[5] Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Штаудт А., 1997, Неускорительная физика элементарных частиц. М.: Наука.

[6] Линде А.Д., 1990, Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М.: Наука.

[7] Окунь Л.Б., 1984, Физика элементарных частиц. М.: Наука,

[8] Cowie L.L., Songaila А., 1995, ApJ, 453, 596.

[9] Damour Т., and Dyson F.J., 1996, Nucí. Phys. B480, 37.

[10] Demidov N.A., Ezhov E.M., Sakharov B.A., Uljanov B.A., Baucli A., Fisher В., 1992, in Proc. of the 6th European Frequency and Time Forum, Noordwijk,

The Netherlands, p. 409.

[11] Dirac P.A.M., 1937, Nature, 139, 323.

[12] К aluza Th.. 1921, Sitzungsber. Preuss. Akad. VViss. Berlin, Math.-Phys., 966.

[13] Klein 0., 1926, Z. Phys., 37, 895.

[14] Potekhin A.Y., Ivanchik A.V., Varshalovich D.A., Lanzetta K.M., Baldwin J.A., Williger G.M., Carswell R.F., 1998, ApJ 505, 523.

[15] Prestage J.D., Robert L.T., Maleki L., 1995, Phys.Rev.Lett., 74, 3511.

[16] Savedoff M.P., 1956, Nature, 178, 3511.

[17] Shlyakhter A.I., 1976, Nature, 25, 340.

[18] Varshalovich D.A., Potekhin A.Y., 1995, Sp.Sci.Rev., 74, 259.

[19] Webb J.K., Flambaum V.V., Churchill C.W., Drinkwater M.J.. Barrow J.D., 1998, (submitted to Phys.Rev.) /astro-ph/9803165

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН

188350, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 453, тир. 100, уч.-изд. л. 0,7; 26.Х. 1998г.

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А. Ф. ИОФФЕ

На правах рукописи

Иванчик Александр Владимирович

Исследование абсорбционных спектров квазаров с целью проверки возможной вариации фундаментальных физических констант в процессе космологической эволюции

(01.03.02 - Астрофизика, Радиоастрономия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

научный руководитель -член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Д.А. Варшалович

Санкт-Петербург 1998

Оглавление:

Введение. 4

1 Проблема вариации фундаментальных

физических констант. 7

1.1 История вопроса..............................................................7

1.2 Современный статус проблемы непостоянства

фундаментальных физических констант..................................9

1.2.1 Вариация констант в струнных теориях..........................10

1.3 Различные методы определения вариаций

фундаментальных физических констант..................................12

1.3.1 Феномен "Окло"........................................................12

1.3.2 Лабораторные измерения............................................18

1.3.3 Ограничения, получаемые из стандартной модели первичного нуклеосинтеза............................................18

1.3.4 Астрофизический метод. Абсорбционные спектры квазаров. 20

2 Верхний предел на возможное космологическое изменение постоянной тонкой структуры. 23

2.1 Постоянная тонкой структуры.......................23

2.2 Описание метода определения отклонения значения а........24

2.3 Наблюдения и первичная обработка спектра............................26

2.3.1 Дублеты IV в спектре квазара / 2238-606......................32

2.4 Данные по литературе. Критерии отбора данных...........32

2.5 Верхний предел на Да/а......................................................36

3 Верхний предел на возможное космологическое изменение отношения масс электрона и протона ^ = те/тр. 40

3.1 Современное экспериментальное значение ¡1..............40

3.2 Молекулярный водород в спектрах квазаров..............41

3.3 Метод определения А/л/ц....................................................43

3.4 Наблюдение квазара РКБ 0528-250. Редукция спектра........44

3.5 Корреляционная зависимость. Верхний предел на А^/ц.......50

4 Теоретические следствия. 56

4.1 Ограничение на скорость изменения массы протона....................56

4.2 Анизотропия постоянной тонкой структуры по различным направлениям на небесной сфере.........................57

4.3 Логарифмическая зависимость оГ1....................57

4.4 Степенная зависимость а..........................58

4.5 Струнные теории..............................................................60

Заключение. 62

5.1 Результаты и выводы, выносимые на защиту..............62

5.2 Публикации по теме диссертации..........................................63

Список литературы. 67

Введение.

Современная астрофизика и наблюдательная астрономия предоставляют широкие возможности для научных исследований не только в области чистой астрономии, но и в различных областях современной физики, особенно в физике высоких энергий, ядерной физике, физике элементарных частиц. Уникальные физические условия, которые природа реализует в огромном многообразии астрофизических объектов и явлений, позволяют изучать физические законы и процессы, лабораторные условия для которых недостижимы на Земле не только в настоящий момент, но и долгое время в будущем ...

Современные теоретические предсказания физики элементарных частиц (Теорий Великого Объединения взаимодействий GUT и теории суперструн) большей своей частью относятся к диапазону энергий, недостижимых даже на самых мощных современных ускорителях. Поэтому изучая раннюю Вселенную, в которой эффекты, предсказываемые этими теориями, не являются исче-зающе малыми, можно делать некоторые заключения относительно различных вариантов современных теорий.

В настоящий момент имеется несколько возможностей для изучения процессов в ранней Вселенной: это первичный нуклеосинтез, дающий представление о физических условиях, существовавших в первые минуты рождения Вселенной; это реликтовое излучение, характеризующее эпоху просветления Вселенной (¡=ь 105 -f- 106 лет после Большого Взрыва); наконец это квазары, "просвечивающие" вещество, находящееся на ранних стадиях эволюции, охватывающей последние 90% возраста Вселенной. Именно последняя возможность изучения ранних этапов эволюции Вселенной будет обсуждаться в диссертации.

Квазары - наиболее мощные из известных нам источников энергии и наиболее загадочные астрофизические объекты, интерес к которым неуклонно растет благодаря огромному потенциалу и красоте задач, которые можно решать, наблюдая эти объекты. Задачи, решаемые с помощью наблюдений квазаров, можно подразделить на два основных типа:

а) Исследование природы самого квазара, т.е. его внутреннего строения и механизмов энерговыделения, взаимодействия активного ядра с родительской галактикой, физические условия в областях формирования континуального спектра и эмиссионных деталей, воздействие рентгеновского и 7-излучения на локальную межзвездную среду: изменение ее химиче-

ского и изотопного состава. Эти задачи решаются, в основном, путем анализа эмиссионных спектров квазаров.

Ь) Исследование физических условий и состояния вещества, находящегося на больших космологических расстояниях и оказавшегося на луче зрения квазар-наблюдатель. Эта задача решается путем анализа абсорбционных спектров квазаров. Космологические расстояния, на которых наблюдают квазары, позволяют изучать эволюцию Вселенной. Абсорбционный спектр квазара, формирующийся в процессе распространения света от квазара к наблюдателю, по-существу, является пространственно-временной фотографией Вселенной. Абсорбционные детали спектра, сформировавшиеся 10-12 млрд. лет назад, дают представление о физических условиях, существовавших на стадиях развития молодой Вселенной, возраст которой составлял менее 10% от его современного значения, которое оценивается приблизительно в 14 млрд. лет.

Данная диссертация посвящена анализу абсорбционных спектров квазаров с целью изучения физических условий на ранних стадиях эволюции Вселенной и космологических проявлений современных теорий физики элементарных частиц, а именно исследованию возможного космологического изменения фундаментальных физических констант:

с* = е2/Ьс — постоянной тонкой структуры,

[л = те/тр — отношения масс электрона и протона,

характеризующих силу электромагнитного и ядерного взаимодействий.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, в которых излагается оригинальная часть работы, заключения и списка литературы.

В первой главе описывается возникновение и развитие идей о непостоянстве фундаментальных физических констант в развивающейся нестационарной Вселенной - от гипотезы Дирака до сегодняшних представлений, основанных на современных теориях физики элементарных частиц и космологии. В этой главе рассматриваются различные методы определения возможной вариации констант и полученные на основе этих методов (другими авторами) пределы на скорости вариаций фундаментальных констант. Обсуждаются достоинства и

особенности указанных методов. Особое внимание уделено феномену "Окло", так как из анализа данных о природном ядерном реакторе получают наиболее жесткие оценки на вариации констант. Рассматривается гипотеза, в рамках которой указанные оценки могут оказаться значительно менее жесткими.

Во второй главе подробно рассматривается астрофизический метод определения скорости возможной космологической вариации постоянной тонкой структуры а = е2/Тгс. Приводятся наблюдательные данные, полученные на 6-метровом телескопе CAO РАН. В результате обработки цифровых спектров, анализа многокомпонентной структуры выработаны критерии, которые необходимо соблюдать при отборе дублетов.

На основе анализа абсорбционных линий дублетного расщепления ионов Si IV, наблюдаемых в спектрах квазаров, полученных как на 6-метровом телескопе, так и отобранных из литературы, определен и приводится верхний предел на возможное изменение постоянной тонкой структуры.

Третья глава посвящена изучению уникальной (одной из двух, известных на сегодняшний день) абсорбционной системы молекулярного водорода Н2 в спектре квазара PKS 0528-250 , полученного на 4-метровом телескопе Межамериканской Обсерватории в Сьеро-Тололо. В настоящее время, по своему качеству (разрешение FWHM<25 км/с; отношение сигнала к шуму S/N>20), представленный спектр является лучшим спектром системы молекулярного водорода с большим красным смещением. Описывается метод анализа электронно-врагцательно-колебательных уровней молекулы Н2. Представлен верхний предел на возможное изменение отношения масс электрона к протону fj, = me/mp, полученный на основе метода с использованием коэффициентов чувствительности, характеризующих чувствительность каждой отдельной электронно-колебательно-вращательной линии к изменению ц.

Четвертая глава посвящена теоретическим следствиям, которые можно получить на основе пределов, определенных в главах 2 и 3. Указаны модели, допускающие изменение констант, но противоречащие наблюдаемым данным. Приводятся ограничения на параметры скалярно-тензорных моделей. Приводится предел на возможное изменение массы протона в процессе космологической эволюции.

В заключении приводятся основные выводы, выносимые на защиту, список публикаций по теме диссертации, список цитируемой литературы.

1 Проблема вариации фундаментальных физических констант.

Инвариантность физических законов в различных пространственно-временных областях, на первый взгляд, кажется фактом очевидным. Более того, в стандартных моделях, описывающих строение и развитие нашей Вселенной, это предположение является одним из основных. Но при более глубоком рассмотрении этого вопроса данное предположение выглядит не столь безусловным. Вселенная меняется, меняется каждую секунду, т.е. изменяются основные характеристики, которыми мы можем описать Вселенную: ее геометрия, средняя плотность вещества и различных форм материи. Так почему в ней что-то вообще должно оставаться незыблемым, как то физические законы и фундаментальные константы, их определяющие?

Сегодня мы можем наблюдать области пространства, находящиеся на гигантских расстояниях друг от друга, те области, которые могли быть причинно несвязанными на ранних этапах эволюции Вселенной. Таким образом, факт инвариантности законов физики в различных пространственно-временных точках Вселенной может быть проверен путем изучения далеких объектов (далеких и в пространственном и во временном смыслах) и физических условий существовавших в них.

1.1 История вопроса.

По-видимому, первыми кто высказал идею изменения фундаментальных физических констант в процессе эволюции Вселенной были Милн (1935) [61] и Дирак (1937) [35]. Дирак обратил внимание на непонятное численное совпадение некоторых безразмерных отношений, составленных из атомных и космологических констант: е - заряд электрона, те - масса электрона, с - скорость света, Но - постоянная Хаббла, р - критическая плотность вещества во Вселенной, С - гравитационная постоянная Ньютона:

"3 ш^с6 е2

тес т;с ^

е " Ю40 (1.1)

rv-/

е2Н0 е6р Стоите

Первую комбинацию в выражении (1.1) можно интерпретировать как отношение радиуса Вселенной к классическому радиусу электрона, второе как отношение электронной плотности (те/г^) к критической плотности Вселенной,

третье как отношение сил кулоновской к гравитационной, действующих между протоном и электроном. Дирак предположил, что вышеуказанные численные совпадения не случайны, а отражают глубокую связь между космологией и микромиром. Эта связь вследствие нестационарности Вселенной, по мнению Дирака, приводит к возможному изменению фундаментальных физических констант с космологическим временем. Или, по крайней мере, их неизменность нуждается в экспериментальной проверке.

В рамках предложенной Дираком гипотезы больших чисел, сам он рассматривал теорию, в которой гравитационная постоянная С менялась обратно пропорционально космологическому времени:

С ос ^ (1.2)

Оказавшись впоследствии противоречащим наблюдениям, это предположение стимулировало развитие важного обобщения теории гравитации Эйнштейна -скалярно-тензорных теорий типа Иордана-Бранса-Дикке ([47], [24]).

Чтобы спасти гипотезу Дирака о вариации констант в 1967г. Дж. Гамов предположил, что С в формуле (1.1) могла бы оставаться постоянной, если бы элементарный заряд возрастал со временем [43]: е2 ос t.

Работая независимо, Э. Теллер ([78]) выдвинул гипотезу о логарифмической зависимости от времени обратной величины постоянной тонкой структуры а = е2/%с\

а"1 ос 1п — . (1.3)

т

В основе этого предположения лежит поразительное совпадение величин а"1 ~ 137.036 и 1п(^о/87гтР1апск) ~ 137.031, здесь = 14 х 109 лет - возраст Вселенной, Тр1апск = у^С/с5 = 5.4 х 10~44 с - планковское время. Позднее Дайсон ([38], 1972) пришел к выводу, что эта гипотеза могла бы следовать из рассмотрения ренормализационной группы в квантовой электродинамике. (Поэтому данную гипотезу в дальнейшем мы будем именовать гипотезой Теллера-Дайсона). Принимая во внимание вид решения уравнения ренормализационной группы - аГ1 = ад1 + Ь'1п((^о/С2), где V - структурная константа, <3 - переданный импульс, 0,о - произвольная нормировочная постоянная, отметим что, зависимость Теллера-Дайсона (1.3) может иметь более общий вид. Хотя зависимость (1.3) привлекательна тем, что при фиксации современного значения константы связи, соотношение (1.3) становится полностью определенным и по-

зволяет легко сравнивать наблюдаемую величину а с теоретическим значением.

Все перечисленные гипотезы, как это видно, относятся к гипотезам интуитивного характера, т.е. не имеют строгого теоретического обоснования. Но несомненная заслуга их в том, что они стимулировали развитие фундаментальной физики.

1.2 Современный статус проблемы непостоянства фундаментальных физических констант.

Современное состояние проблемы непостоянства фундаментальных констант можно охарактеризовать следующими положениями:

• Эффективные константы связи, характеризующие силы взаи-модеиствии, меняются с энергией взаимодействия. (Этот вывод о "бегущих с энергией" константах связи подтвержден экспериментально, см. например [5], [9], [13], [14]).

• Константы могут изменятся со временем в процессе космологической эволюции.

• Значения констант могут не совпадать в разных пространственных областях. (Некоторые варианты инфляционной модели [11]).

Что касается последних двух пунктов, то в настоящие время надежно установлены лишь верхние пределы на возможные отклонения констант [17, 35, 38, 59, 70, 78] - для случая космологического изменения, [4, 82] - для случая разных пространственных областей . В дальнейшем мы не будем рассматривать первое положение, сосредоточив внимание, в основном, на втором и немного прокомментировав третье. Но здесь надо отметить, что первое положение с необходимостью влечет за собой и второе, т.к. с уменьшением космологического времени увеличивается энергия взаимодействия, а следовательно изменяются и константы связи. Поэтому во втором положении мы не будем обсуждать проблему изменения констант со временем, связанную с их зависимостью от энергии взаимодействия, а уделим основное внимание возможности изменения со временем их низкоэнергетических пределов.

1.2.1 Вариация констант в струнных теориях.

Развитие методов суперсимметрии, обеспечивающих унификацию бозонов и фермионов, позволяющих объединить гравитацию с другими калибровочными теориями (квантовой хромодинамикой, электрослабой теорией Вайнберга-Салама-Глэшоу), существенное расширение рамок локальной квантовой теории поля, с обобщением понятия геометрии и размерности элементарного объекта, все это привело к созданию теории суперструн, которая является, на сегодняшний день, единственным потенциальным кандидатом на роль GUT (SUSY GUT) (см. Грин и др., [7]; Кетов, [8]; Морозов, [12]; и ссылки в них). Объединение фундаментальных взаимодействий, возможность проквантовать гравитацию (перенормируемость теории и, по-видимому, отсутствие расходи-мостей), вычисление размерности пространства-времени, построение спектра масс наблюдаемых элементарных частиц - важнейшие достижения этой теории. Однако, современная теория суперструн пока еще в большей мере является предметом "чистой" математики, а не экспериментальной физики из-за того, что большинство предсказаний лежит в области энергий, недостижимых на сегодняшний день в современном эксперименте. Но все-таки есть в низкоэнергетическом поведении теории элементы, наличие или отсутствие которых в эксперименте позволит обсуждать различные варианты теории.

Все версии теории суперструн в пределе низких энергий (Е <С Epiank = ¡G ~ 1.2 х 1019 ГэВ) предсказывают существование скалярного поля (ди-латон, s=0) в дополнение к классическому тензорному полю (гравитон, s=2) общей теории относительности ОТО (Грин и др.; [7]). Четырехмерн