Моделирование крупномасштабных потоков вещества во Вселенной и спектры первичных возмущений тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Астроносшпеский центр Физического института т. П.Н. Лебедева АН СССР

На правах 'рукописи

'НОЗОСЯДЛШ Богдан Степанов:«

УДК 524.8

ЩЩИРСВЙНЙ ¿{Р5ИК(«ЛСИ7ЛБНН1 ПОТОКОВ ВШ^СТВД ВО ЕСЕЯЕШОЗ 1 СПЕКТРЫ ПЕРВИЧНЫХ ВОЗПЩЕНИН

Спецягльносгьг 01,03.02 - сстро&газка, радаевстрсйсагя

А 3 I' 0 .? Е 9 Е Р Л Т десгэруэдз: ко сокржгпаа угоно.й сгзаеиа какг'гдгяа фяэтЕ$й-?$агсиажгевсггсс наук

Работа выполнена в астрономической обсерватории Львовского университета ем. И. Франко к в Астрокосмическом Центре Физического •института им. П.Н. Лебедева АН СССР.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук В. Н. Лукаш

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

А. Г. Дорошевич

доктор физико-математических наук П. Д. Нзсельскнй

Ведущее предприятие: Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга

Защита состоится "10" октября 1991 года в 10 часов на открытом заседании специализированного Совота Д 0023901 при

Астрокосмическом центре (<ШАК СССР) по адресу: .117924, ГСП, Москва В-333, Ленинский пр., 53

С диссертацией ' мокно ознакомиться в библиотеке Физического института им. H.H. Лебедева Ali СССР.

Автореферат разослан сентября 1991 ,г.

Ученый секретарь специализированного Совета \ доктор физико-математических наук ■ ■ V V В- В- Бурдааа

ЭДКГЯШ:

Г'&ЗШ* I

■

• т.';0Л i .' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема образования крупномасштабной ¡труктуры Вселенной: и еа элементов является одной из важнейших в »временной астрофизике и космологии. Распределение галактик и их ¡коплений в ' пространстве дает основную информацию о рушомесштабкой »структуре Вселенной. Ко совпадает ли распределений барионного вещества-с распределением скрыто. > и если :ет, то как такое различие зависит от масштаба - пока неизвестно, связи с. этим важными являются данные о крупномасштабных потоках алактик, так как они могут быть индикаторами неоднородного аспределения скрытой (доминирующей по плотности) компоненты.

Открытый в последние года {1-7] когерентный сходящийся к зкоторому центру, получившему- название Великий аттрактор, рупномасштабный поток галактик, оказался еще одним очень жестким 3ctoís космологических моделей [8]. Происхождение таких структур, í распространенность и возможности ее изучения - актуальная зоблема астрофизики сегодняшнего дня. Моделирование эволюции ¡кик структур с целью изучения слабо- и сильнонелинейных стадий с развития - один из подходов к решению этой проблемы.

Дополнительные данные по крупномасштабным пекулярным•скоростям иактик позволяют продвинуться вперед в решения 'обратной задачи >смолот»' - восстановления начального спектра мощности возмущений > всей совокупности наблюдательных характеристик крупномасштабной ■руктурч Вселенной. Ее решение прояснило бы природу скрытой мпоненты и (ризическке процессы в ранней Вселенной, когда такой вктр формировался. Пока-что только юмечеш пути к решешпо этой' дачи и сделаны первые попытки такого восстанов.пояил {9-12),

Очевидна поэтому необходимость развития подходов к реиению этс2 задачи уточнения по мэре поступления новых наблюдательных данных я углубления теоретических схем образования структура. .

Таким образом, численное моделирование,- крупномасштабнш потоков вещества в разных моделях Вселенной,. анализ их связи с первичным спектром возмущений к его восстановление'с учетом даннш по Великому аттрактору является актуальной задачей в. проблеме образования крупномасштабной структуры Вселенной.

Цель работы. Для решений перечисленных проблем в диссертант

поставлены следущие задачи:

1. Исследовать ранние' и поздние этзпы эволюции' сферически' симметричных адиабатических • возмущений плотности и скорост: вещества в даухкомпонентной (барионы и бесстолкновителькьк частицы) фридмановской Вселенной с - доминированием скрытог< вещества и нестационарной кинетикой радиационных процессов : баршяной компоненте. • . • .• . ,, • '-„'•'

2. С помощью численной модели исследовать ■' эвелвдир . пико; гауссовского поля возмущений плотности, объясняющих наблюдаемо падение галактик на Великий -аттрактор. Оценить веррятност реализации таких пинов в разных моделях-Вселенной.:

3. Проанализировать требования к спектру мощности возмущени плотности вещества с, точки зрения соответствий предсказываемых наблюдаемых характеристик крупномасштабной, структуры Вселенной учетом данных го Великому аттрактору. :'■'[

4. Проанализировать влияние возмущений плотности"; скорости гравитационного потенциала, которые приводят к образован! объектов типа Великого аттрактора, взанизотропию . температур реликтового излучения.. ;, 4 : - "\

Научная новизна работы. • Представляемая к ., защите работа является одним из первых теоретических-исследований обнаруженного недавно крупномасштабного потока галактик - Великого аттрактора. Предложено объяснение этого явления развитием крупномасштабного пика гауссовского поля возмущений плотности, найдены его наиболее вероятные параметры. Исследованы все этапы эволюции таких пиков -от ранних релятивистских стадий (в разных системах отсчета* и на языке инвариантов тензоров Римана и Вейля) до поздних наклейных с многопотоковым режимом движения в бэсстолкновятельной компоненте и генерацией.ударной волны в барионной. Проанализированы возможности эбварухения таких пиков на сфэрэ последнего рассеяния, по анизотропии температура реликтового излучения я в окрестностях Местной группы галактик методами оптической и рентгеновской астрономии. Оценена вероятность их реализации в различных моделях деленной и показано, что явление Великого аттрактора является [рвым чувствительным тестом космологических моделей.

Построен спектр мощности возмущений плотности, согласующийся с ■аблюдагельными характеристиками крупномасштабной структуры селенной, совремешшш ограничения!®! на анизотропию температуры елшстового излучения и существованием объектов типа Велик га ттрактора.

Научная и практическая ценность работы. Полученные в яссертащп' результаты могут быть использованы как при составлении зблвдатзльшх программ исследований крупномасштабной структуры деленной, так и в широком круге теоретических исследований - от шерацш возмущений до. поздних нелинейных стадий их эволюции.

Важным на современной ■ • этапе исследований является жазатэльстЕо возможности объяснения наблюдательных данных по итшому аттрактору высокоамплитудным скалярным возмущением

плотности и указанием, в связи с этим, на требования к спектру первичных возмущений.

Предложенный в работе СМ+2-спектр, удовлетворяющий всем наблюдательным тестам, может быть использован- для исследования природа скрытой массы или физики, ргнней Вселенной, связанной с , теорией элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий.

Предложенная, методика рассчета параметра Оайсинтв, 'приведенные в работе результаты шслешш расчетов характеристик крупномасштабной структуры в разных моделях •Вселенной могут использоваться как основа при исследовании процессов образования галактик и других элементов структуры.

Составленная программа для численного моделирования нелинейной эволюции сфвричесхи-оашвтрячшх возмущений может использоваться для решения различных задач астрофизики - от изучения эволюции компактных скоплений галактик до шаровых звездных скоплений, и 1а-облаков. -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСЗШЕ' НА ЗАЩИТУ

1. Найдены решения релятивистских •уравнений. для эволюции сферически-симметричных адиабатических возмущений . .в разных системах отсчета, преобразования мевду ними,, а ' также проанализировано доведение возмущений инвариантов тензоров Еимана и Вейля на ранней стадии для ультрарелятивистской среда.

2. Построена численная . модель поздних стадий эволюции сферически-а'ммбтричннх возмущений плотности'и скорости вещества в двухкомпонентной модели' Вселенной с доминированием' массивных бесстолкновительЕьис частиц и нестационарной кинетикой радиационных процессов.. Модель'. позволяет исследовать, нелинейную ' стадию развития возмущений, когда бесстолкновительная компонента движется

; б ■'

в многопотоковом режиме, а в барионной сгенерирована ■ ударная волна. ■'.

3. Найдены профили начальных возмущений плотности, скорости и гравитационного "потенциала, которые приводят к ' образованию объектов типа Великого аттрактора. Промоделирована эволюция таких возмущений и показано, что вблизи центра они находятся на нелинейной стадии , своего развития. Те из них, которые имоли начальную 'амплитуду . возмущения плотности большую некоторого критического значения )) к настоящему времени вблизи

центра развиваются в многопотоковом режиме в бесстолм вительной компоненте и с сгенерированной ударной -волной в газе. Возможные наблюдательные проявления таких объектов - рентгеновское-излучение, разреженной плазмы- с температурой *"К?1 и. большие пекулярные скорости галактик вблизи центра.

,4. Проанализирована возможность обнаружения возмущений, которые приводят к явлениям типа Великого аттрактора по вызываемой ими .анизотропии температуры реликтового излучения. Показано, что такие , возмущения, находящиеся ' вблизи сферы последнего рассеяния, приводят к * образованию 'горячих* и 'холодных' пятен в распределении температуры реликта. Амплитуда таких пятен - LT/T > 4 ; их масштаб ~3б' . Наибольший вклад в А Т/Т дает

адиабатический эффект - его ■ амплитуда А Т/Г» Ю-4,, максимальный вклад от эффекта Допплера <*3 Ю~\ Сакса-Вольфа "2 Ю~5.

5. Показано, что во всех моделях имеются возмущения необходимого масштаба ■ т амплитуда для образования объектов тща Великого аттрактора, но вероятность их реализации существенно различается в разных моделях. В СМ-модели такие объекты практически не образуются, а в ЯМ-модвлях с гремя сортами массивных нейтрино их узка так много, что это противоречит наблюдениям.

6. Построен спектр, для которого рассчитанные корреляционные

функции галактик, их скоплений, а также крупномасштабные штоки галактик соответствуют наблюдаемым, и который согласуется с ■ современней ограничениями на анизотропию температуры реликтового излучения. В плоской фридмановской ВсеЛенной 'с таким спектром в пределах горизонта находится «7 О4 "объектов . типа "Великого аттрактора, среднее расстояние между ними «400 7Г1Мпк. Такой спектр близок к СУШ-спектру на масштабах

Л-'Мне, но имеет дополнительную .мощность. а^О.2 в области. ЗЯСЧк? Ь/аГк. Амплитуда спектра и.его наклон в этой области... фиксируются . наблюдательными характеристиками крупномасштабной структуры с' точностью до их определения. Показано, что понижение верхнего предела эксперимента «Холод» на масштабах <* 2° в два раза уже позволит зарегистрировать такой спектр. <,

Апробация работа. Основные „результаты, изложенные в диссертации,' докладывались на семинарах отдела релятивистской астрофизики УШ АН СССР (1989, 1990, ,1991). на астрофизическом . семинаре ФИАН СССР (1990), на семинаре но гравитации и космологии им. Л.П. Зельканова (ГАШ, Д991), на семинарах астрономической обсерватории Львовского университета, . на VI1-й Всесоюзной. ' гравитационной конференции (Ереван, 1988), на международном совещании 'Космология и ■ релятивистская астрофизика' (Тыравере, 1989), на- мездународаом совещании, 'Сзерхскслления и .скопления галактик и сопровоадащие эффекты' ,(Сесто-Мосс, 1990),.. ' ■.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит.,! .из •введения, трех .глав, заключения ; -двух приложений и списка . ' ■ литературы.' Содержат 124 страницы машинописного текста, 5 таблиц, 22 рисунка; список литературы включает 158 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность работы, сформулированы задачи диссертации, основные результаты и краткое содержание глав. Обзор литературных источников по проблеме и ее современное состояние изложены в вводных частях глав.

В первой главе диссертации рассмотрены вопросы, связанные с ' эволюцией возмущений на линейной и нелинейной стадиях их развития. Во введении к главе описаны основные идеи, лежащие в основе большинства сценариев образования структуры Вселенной. Параграфы 1.1-1.4 посвящены анализу линейной стадии эволюции сферически-симметричных возмущений в системе отсчета, сопутствующей невозмущенному фону космологической жидкости. Приведены решения уравнений Эйнштейна для них в этой и в синхронной системе отсчета, анализируются различия в поведении возмущений в них, сравниваются' с ' калибровочно-инвариантным . подходом. Для устранения неопределённости, связанной с неодинаковым поведением в разных системах отсчета возмущений плотности и метрики пространства-времени масштаба больше горизонта частицы, проанализировано товедение возмущений ннва| лягов тензора Римана и тензора Вейля. Токазано, что в . ультрарелятивистской среде при, стремлении к жнгулярности их возмущения в одном физическом решении расходятся, 5 другом - конечны.

В. §1.5 описана- численная модель эволюции сферически-, жмметричных ".адиабатических возмущений в двухкомпенентной )рвдмановской Вселенной, заполненной барионами с плотностью ^ и ¡есстолкновительными частицами с Ощ при '«. Динамика

арионного газа описывается уравнениями гидродинамики . .нестационарной - кинетики процессов ударной ионизации и

рекомбинации водорода и гелия." Использованы лагранжевые массовые координаты и метод искусственной вязкости для рассчета движения ударной волна. Составлена однородная разностная схема и алгоритм ее решения по явному методу.

Динамика бе сстолкновктельной компоненты описана в íf-тельном приближении: непрерывное распределение аппроксимировалось дискретными сферически-симметричными слоями одинаковой массы.

Проведено тестирование модели сравнением с известными точными решениями: динамику бесстолкяовительной компоненты с моделью Толмена в области ее применимости и динамику барионной с известным аналитическим решением Л.И. Седова для распространения ударной волны в однородном облаке. Показано, что модель достаточно точна для получения количественных характеристик нелинейной стадии эволюции возмущений: скоростей и положений бесстолкновительных частиц в многопотоковой области, а также распространение фронта ударной волны и охлаждение газа за ним.

Начальные условия задавались как типичные для каждого спектра, поэтому вторая глава посвящена анализу спектров мощности возмущений плотности вещества с точки зрения соответствия теоретических и наблюдаемых характеристик, крупномасштабной структуры Вселенной. Во введении к ней подробно рассмотрены начальные послерекомбинационные спектры, которые являются результатом эволюции • послеинфляционного масштабно-инвариантаогс спектра в разных моделях Вселенной. В §2.1 изложены основные положения теории гауссовских случайных полей в применении к проблеме образования крупномасштабной структуры ::• дленной. Параграф 2.2 посвящен обсуждению разных способов нормировке спектров и соотношению мевду ними. В §2.3 излагается методике рассчета параметра Сайсинга и приводятся результаты расчета егс для разных моделей Вселенной. Рассчитанные для разных спектроЕ

to

корреляционные функции галактик и их скоплений сопоставляются с наблюдаемыми в §2.4. Крупномасштабные пекулярные скорости в разных моделях Вселенной и их наблюдаемые значения рассмотрены в §2.5. В §2.6 рассчитывается крупномасштабная угловая анизотропия температуры реликтового излучения для разных спектров и сопоставляется с наблюдаемыми ограничениями.

Из сопоставления рассчитанных характеристик крупномасштабной структуры Вселенной с наблюдаемыми для разных спектров следует, что для их соответствия необходима дополнительная по сравнению с СРЯ-спектром моощосгь на масштабах 10-100 П~1Мпк. Корреляционные функции фиксируют амплитуду и наклон спектра на масштабах . 1-100Ь~1Мпк, крупномасштабные пекулярные скорости чувствительны к его наклону в области >100?Г1Мпк, верхние пределы на анизотропна температуры реликтового излучения ограничивают амплитуду ■ спектра сверху в масгабах >50?Г1?<!пк. Такие требования позволяют построить оптимальный спектр, удовлетворящий всем наблюдательным тестам, чему посвящен §2.7.

Третья гл&ва посвящена исследовании Великого аттрактора .как крупномасштабного пика флуктуации плотности во. Вселенной. В введении проведен ретроспективный обзор .основных наблюдательных данных по крупномасштабных потоках галактик и их интерпретации, изложены 1основы подхода к ' Великому" аттрактору как к пику гауссовского поля возмущений плотности;- В §3.1 анализируются аппроксимации наблюдательных данных по Великому аттрактору и оценивается их точность. Выбору начальных условий для моделирования зволвдии возмущений, которые приводят к образованию подобных объектов посвящен §3.2. Показано, что такие начальные профили возмущений плотности близ!® между собой в разных моделях Вселенной и имэат амплитуду, 60 « (и2)/(г0+1) и полуширину <* (20*2$)ЬГ^Ыт в сопутствующих координатах. Результаты численного

моделирования эволюции возмущений, которые приводят 'к образованна объектов, подобных Великому аттрактору и их обсуждение приведены в §3.3. Показано, что такие возмущения с-начальной амплитудой 60£ 2/(г0+1) к современному моменту времени могут быть источниками рентгеновского излучения с Х^ТО^врг/с и содержать вблизи центра •галактики ;с большими пекулярными скоростями - Урео>2000 юл/с. Оговорены также условия, когда такие проявления этих возмущений реализованы не будут. Приведены оценки количества таких возмущений в пределах горизонта для разных моделей Вселенной из которых следует., что вероятность их реализации существенно зависит от мощности в спектра на масштабе 50*100 Л-1 Мпк. В СШ-модэли явление типа Великого аттрактора - невероятное событие - одно на 1С? Метагалактик, подобной налей. В НОУ ÍЗJ-кадет их очень много -среднее расстояние мезду ниш ~ 60 Л"1 Мпк, так что уже в бливайишх окрестностях Местной группы галактик наблюдались бы подобные источники рентгеновского излучения и галактики с голубыми смещениями в их спектрах. В оптимальном СОМ*г-спектре таких объектов достаточно, чтобы объяснить нвшэ соседство с ним, но среднее расстояние между ними еще слишком большое " 300 ЬГЛ Ыпк, чтобы был наблюдаем еще один. В §3.4 обсуждается■сущность проблемы Великого аттрактора, дается его' объяснение и сопоставляется с анализом других авторов. С помощью линейной теории развития возмущениий показано,что найденные средние профили являются и наиболее вероятными из тех, которые в состоянии объяснить явление Великого аттрактора.

В §3.5 анализируется влияние возмущений, которые приводят к образовании Великого аттрактора, на анизотропию температура реликтового излучения. Учтена разница в амплитуде возмущений на момент рекомбинации в барионкой и бесстолкновительной компоненте вследствие влияния давления на рост возмущений в

дорекомбинационной плазма.' Показано, что такие возмущения приводят к образованию пятен з угловом распределении температуры реликтового излучения с амплитудой кТ/Т > 4 10"5 и размером «30.' Рассчитано количество таких пятен в разных моделях Воеленной и показано, ' что оно может быть тестом космологичэских моделей. В модели с оптимальным CDÜ+Z спектром таких пятен на всем небе должно быть » 300 или одно пятно на площадке 12°*12°„

В заключении кратко суммируются основные результаты и выводы диссертации.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1.Новосядлый B.C., Пелых В.А. Сферически-симметричные возмущения в радиационной фридмановской Вселенной.// - Ин-т теор. физики АН

■ УССР. . Препр.-1987.-й 163.-17 с.

2.Новосядлый Б.С,, Пэлых В.А. Сферически-симметричные возмущения плотности и , скорости вещества в пылевидной . изотропно расширяющейся . Вселенной.// Астрон. нурн.-1988.-Т-. 65, ЙЗ.-С. 449-460.

3.Гнатык Б.И., Лукаш В.Н., Новосядлый B.C. Великий аттрактор как крупномасштабный пик флуктуации плотности во Вселенной.//Письма В АстронJ *урн.-19Э1.-Г. 17, Л З.-С. 213-228.

4.Гнатык B.W., Лукаш В.Н., НЬвосядлый • Б.С. Крупномасштабные неоднородности во Вселенной и спектры возмущений. //Письма в . Астрон. sypH.-I99I.-T. 17, й 9.-С. 659-670. ■

Б.Гкатик Б.1., Лукаи В.Н., Новосядлий Б.С. Великомасштаона , структура BcecBiTy, Великий' атрактор i- спектра збурень. //Йинематика и физика небесны тёл.-ХЭЭГ.-Т.^- * .-С. б.Гватт Б.1., Новосядлий B.C. Великий притягувач - новей тес? космолоПчних ' моделей.// Щор1чник -Паукового товариства

* • П. ■

1м. Г. Шевченка.-1991.-й { .-С. -

7.Новосядлый B.C., Гнатык Б.И. Великий аттрактор и проблема происхождения крупномасштабной структуры Вселенной.// Ин-т прикл. пробл. мех. и мат, АН УССР. Препр.-1991.-й 5 .-Q2P-

Цитируемая литература

1 .Dressier A.,Bursteln D..Davles R.L. et al. Spectroscopy an! photometry ol elliptical galaxies: a large-scale streaming motion In the local Universe.//A3trophys.J.-1987.-V. 313,

кг.-137-иг. - .

2.Lynden~Bell D.,Faber S.M..Bursteln D. et al. Spectroscopy and photometry of elliptical galaxies. 7. Galaxy streaming toward the new supergalactlc center.//Astrophya.J.-1938.-Y. 326, B1. -P. 19-49.' .

' 3.Dressier A. The supergalactlc plane redshift survey: a candidate ior the great attractor.//Astrophys.J.-1988.-V. 329, £2.-P.

■ 519-526. '

4.Paber S.M..Bursteln D. Motions oi galaxies in the neighborhood of the local group.//.Large-scale motion in the Universe/Eds Rubin v.c., Coyne G.V. Prlnston: Prlnston University Press.-1989.-P. 116-173.

5.Dressier A.,Paber S.Ii.• Confirmation of a large-scale, large- ; amplitude flow in the direction of the great at tractor.//As trophys. J.-1990.-V. 354, Jfif.-P. 13-17.

6.Bursteln Б.,ГаЬег S.M..Dressier A. Evidence from the Eotions of galaxies for a large-scale, large-amplitude flow toward the Great attractor. //Astrophys.J. -1990■ -V. 354, Jel.-P. 18-32.

7.Dressier A. .Faber S.LL fte?/ measurements of distances to .spirals in tha great attractor: further confirmation of the large-scale Ной.//Astrophya.J. -1990. -V. 354, Ja1.- L45-L48.

a.Bertschlnger J3., Juszklewlcz R. Searching of the Great attractor. //Astrophys. J.-1988.-7 . 334, iSe.-L59-16Q..

9.Bardeen J.M.„Bond J.R.,Efstathlou G. Cosmic fluctuation spectra with large scale power.//A3trophys.J.-l98T.-V. 321, Jit.-P.28-33.

tO.Turner M.S.,Vlllumsen J.V..Vlttorlo N. et al. Double'Inflation: a possible resolution or the large-scale structure.// A3trophys. J.-1987.-V. 323, P. 123-4-32.

11.Juszklewlcz R., Gorski K., Silk J. Minimal cosmic background fluctuation implied by streaming mo'ions.// Astrophys.J.-1987.-V. 323, «1P. L1-L6.

12.Kartinez-Gonzales E.", Sana J.L. large-scale.streaming motions and microwave background anisotropics.// Astrophys.J.-1989.-V. 347, J61 .- P. 11-15.