Поиск отклонений от однородного и изотропного распределения материи во Вселенной на космологических масштабах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение.

1 Крупномасштабнаяктура: Наблюдательные данные и теоретические предсказания.

1.1 Методики наблюдения крупномасштабной структуры.

1.1.1 2Б и ЗБ обзоры галактик.

1.1.2 Крупномасштабные галактические потоки.

1.1.3 Анализ квазарных популяций.

1.1.4 Микроволновое фоновое излучение.

1.1.5 Гравитационное линзирование.

1.2 Современные космологические модели.

1.2.1 Стандартная космология.

1.2.2 Космология и физика элементарных частиц.

1.2.3 Инфляция.

1.2.4 Инфляция+темная холодная материя.

1.2.5 Крупномасштабная космологическая структура и конденсат псевдо Голдстоуновского поля.

2 Методики анализа каталогов.

2.1 Топография наклона прямой на диаграмме Хаббла.

2.1.1 Диаграмма Хаббла.

2.1.2 Стандартная методика топографирования.

2.1.3 Результаты.

2.2 Топография абсорберов.

2.2.1 Топограммы и результаты.

2.3 Топография линзирования.

2.3.1 Методика поиска линзирующей материи.

3 Связь областей экстремального поведения топограф ий с крупномасштабными неоднородностями в распределении материи во Вселенной.

3.1 Пятна минимального значения параметра К;. :

3.1.1 «Пятно» и=( 250° ± 20° ); Ь^ (-5° ± 20° ).

3.1.2 «Пятно» 12=( 120° ± 20° ); Ь2=( 5° ± 20° ).

3.2 «Пятно» максимального значения параметра К;.

3.3 Анализ эмиссионных линий квазаров.

4 Оценка статистической значимости обнаруженных аномалий и влияния эффектов селекции.

4.1 Оценка статистической значимости.

4.1.1 Топограмма Хаббла.

4.1.2 Топография абсорберов.

4.1.3 Результаты.

4.2 Оценка влияния случайных флуктуаций.

4.2.1 Оценка случайной реализации «экстремальных» пятен.

4.2.2 Оценка эффектов селекции.

5 Анизотропия распределения «коротких» у- всплесков (Т90 < 5 сек) и ее возможная связь с линзированием квазаров.

5.1 Топографирование трех популяций у- всплесков.

5.2 Перекрытие пятен у- всплесков и линзирования квазаров.

5.3 Выводы и обсуждение.

1 .Актуальность проблемы

Изучение распределения материи на масштабах больших 10 Ь'1 Мпк (Ь - Н/100 км сек"1 Мпк1, Н » 65 км сек"1 Мпк"1)- главная задача космологии последнего десятилетия. Связано это с тем, что согласно обще принятой точке зрения, наблюдаемая нами структура распределения материи во Вселенной сформировалась путем гравитационной конденсации материи на «затравочных» неоднородностях. Дальнейшая эволюция этих неоднородностей определяется общим количеством присутствующей во Вселенной массы-энергии и природой той части этого общего количества, которая связана с материей. В эволюционных моделях и сценариях первая величина описывается космологическими параметрами Л и О в то время как представление о природе материи можно получить из формы спектра первоначальных флуктуаций и количества наблюдаемой в настоящее время барионной материи. Наблюдения крупномасштабной структуры и сравнения результатов этих наблюдений с выводами конкретной модели позволяют нам т.о. либо получить определенное представление о значении выше указанных параметров для данной модели либо, если эти значения противоречат основным предположениям модели, сделать вывод о ее непригодности.

С другой стороны хочется подчеркнуть, что ход эволюции Вселенной определяется процессами, происходившими на «заре ее

33 зарождения» (1 ~ 10' с). На этой стадии существенную роль играют так называемые квантово-гравитационные эффекты и эффекты

Теорий Великого Объединения. Т.о. наблюдательная космология оказывается важным источником информации для теории элементарных частиц в плане проверки реальности существования в з наше время «реликтов» той эпохи типа «доменных стенок», монополей, полей Полоньи, космических струн и т.д., предсказываемых различными вариантами Теорий Великого Объединения, супергравитации и теорий Калуцы-Клейна.

Многочисленные методы наблюдения широкого класса динамических систем с необходимостью указывают на то, что в большинстве из них доминирует невидимая материя. Более того, похоже, что доля темной материи возрастает при движении системы по шкале масс, т.е. она является основной компонентой плотности энергии Вселенной. Часть ее может находиться в виде барионов, но все больше свидетельств того, что основная часть скрытого вещества может быть образована небарионной материей (аксионы, легкие нейтрино, слабо взаимодействующие слабые частицы и т.д.).

Однако говорить о наличии единого мнения в вопросе о скрытой материи пока еще рано. В большей своей массе исследования распределения вещества во Вселенной носят оценочный характер и содержат много дискуссионных моментов. Связано это с тем, что Ю и 30 обзоры галактик по своей сути описывают лишь распределение света и для того чтобы вывести из них реальное распределение массы необходимо сделать ряд дополнительных предположений относительно геометрии системы, вида зависимости масса-светимость и положения на эволюционной шкале развития.

Тем не менее в настоящее время происходит развитие методов прямого анализа распределения гравитирующей материи, основанных на эффекте отклонения света в поле тяготения (эффект гравитационного линзирования). Эти методы позволяют нам без двусмысленности определить количество материи, вызывающей отклонение света фонового источника и сделать выводы о распределении данной материи вдоль луча зрения. Заметим, что большая часть современных работ этого направления основана на поиске одиночных случаев линзирования. Работы по широкомасштабному картографированию слабо линзированных объектов относят обычно к числу первостепенных задач следующего десятилетия. Однако оказывается, что некоторые исследования в этом направлении возможны уже сейчас.

2. Цель работы

В данной работе, основываясь на возможных эффектах «аномального» усиления или поглощения излучения квазаров при прохождении им крупномасштабных неоднородностей, мы проводим статистический анализ каталогов этих объектов с целью выявления отклонений от однородности и изотропности в распределении материи на масштабе красного смещения Z

3. Научная новизна работы

Обычно при анализе крупномасштабной структуры Вселенной ограничиваются распределением галактик и скоплений галактик, а в случае изучения скучивания квазаров - небольшими площадками. В данной работе исследуется распределение квазаров по всему небу. Другой элемент новизны - это попытка увязать некоторые сценарии Теорий Великого Объединения с наблюдаемой крупномасштабной структурой Вселенной.

4. Практическая ценность работы

Применяемые в данной работе методики поиска неоднородностей в распределении материи могут быть использованы при анализе каталогов различных объектов. Кроме того, представляет особый интерес дальнейшее исследование выделенных в работе направлений на небесной сфере, соответствующих областям аномального поведения топографий параметров квазаров.

5. На защиту выносятся следующие основные результаты и положения: a) Стандартная методика топографирования, применяемая для поиска и изучения крупномасштабных неоднородностей в распределении материи во Вселенной. b) Интерпретация обнаруженных в работе аномалий в поведении глобальных топографий параметров квазаров на небесной сфере как областей повышенной или пониженной концентрации гравитирующей материи. c) Связь характерных масштабов неоднородностей с некоторыми следствиями Теорий Великого Объединения. d) Гипотеза о существовании связи между гигантским скоплением материи, линзирующим излучение квазаров и анизотропией распределения «коротких» у-всплесков. e) Методика статистического моделирования, применяемая для оценки влияния эффектов, связанных со случайными флуктуациями и селекцией.

6. Личный вклад автора

Диссертация написана по материалам исследований, выполненных в лабораториях НИИ Физики и Астрономического института СПбГУ в период 1992-1998 гг. Непосредственно автором была произведена вся обработка баз данных. Планирование расчетов и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. Литвиным В.Ф. и научным консультантом к.ф.-м.н. Орловым В.В.

Основные результаты диссертации опубликованы автором в работах [Р1,Р2,РЗ].

PI. Litvin V.F., Orlov V.V., Holzmann F.M., Taibin B.S., Matveev S.A. and Pereira W.E. Astrophys. and Space Sei., 253, 181 (1997) P2. Литвин В.Ф., Орлов B.B., Матвеев C.A., Мамедов C.B. Препринт № 001 Института физики Санкт-Петербургского Государственного Университета, 1999

РЗ. Литвин В.Ф., Орлов В.В., Матвеев С.А., Перейра В.Э. Вестник Санкт-Петербургского Университета, 120, 2(8) (1999)

Гипотеза Суператтрактора и Супервойда, используемая в работах [Р1,РЗ] для объяснения наблюдаемых аномалий на топографиях параметров квазаров на Небесной Сфере, была предложена В.Ф. Литвиным. Разработка алгоритмов вычислений и статистической обработки выполнялась автором совместно с В.В. Орловым.

7. Апробация работы

Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах кафедры астрофизики и небесной механики Астрономического института СПбГУ, на кафедре ядерной физики НИИ физики при СПбГУ, в Физико-техническом институте, а также на международной Гамовской мемориальной конференции (СМ1С'99).

8. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 96 страниц машинописного текста, в том числе 9 таблиц и 17 рисунков. Список цитируемой литературы включает 59 наименований.

5.3 Выводы и обсуждение

1. у- всплески Т90 < 5 сек распределены анизотропно и около 20 % их концентрируется в пятне радиуса Я=40° с центром 1=115° ; Ь=20°. Это не противоречит общепринятому мнению [58] об отсутствии значимой дипольной анизотропии в глобальной популяции у- всплесков (см. также последнюю строку Табл. 9), учитывая, что популяция «коротких» у-всплесков составляет лишь «1/3 часть глобальной популяции.

2. Это пятно у- всплесков частично перекрывается на небесной сфере с пятном линзирующей излучение квазаров материи, вероятность случайной реализации сходства положений этих пятен, согласно оценкам, выполненным в предыдущем разделе, составляет « 0.16 %

На основании данных выводов естественно выдвинуть гипотезу о том, что гигантское скопление материи, линзирующей излучение квазаров, является источником «коротких» у- всплесков. В состав этого скопления, возможно, входят нейтронные/кварковые звезды и другие объекты, могущие порождать у- всплески. Интересно выяснить, нет ли превышения потока нейтрино и широких атмосферных ливней космических лучей в направлении на обсуждаемое скопление, а также указаний на присутствие антиматерии и/или других экзотических объектов, например монополония и т.п.

Заключение

В данной работе предлагается новый подход к проблеме поиска крупномасштабных неоднородностей в распределении материи во Вселенной. Основой этого подхода является стандартная методика параметрического топографирования Небесной сферы. На основе данной методики проводился анализ каталога квазаров Hewitt&Burbidge [40]. В качестве параметров рассматривались наклон прямой на диаграмме Хаббла, относительная плотность абсорбционных полос, средняя наблюдаемая яркость квазаров и относительное количество эмиссионных линий углерода.

Анализ топографий, описывающих поведение данных параметров на Небесной сфере, выявил существование аномалий (пятен) в направлении на определенные области неба. Первое пятно li=( 250° ± 20° ); bi= ( -5° ± 20° ) мы связываем с наличием в данном направлении в районе z~2 гигантской массы - СА. Крупномасштабное падение материи на СА может объяснить наличие в этом направлении и минимума наклона прямой на диаграмме Хаббла, и максимума абсорберов и эмиссионных линий углерода, и максимальной относительной яркости квазаров (глава 3).

Аналогичные рассуждения в отношении пятна 12=( 120° ± 20° ); Ь2=( 5° ± 20° ) наводят на мысль о существовании еще одной крупномасштабной неоднородности в распределении материи в районе z~3 - СА2.

Картину неоднородности распределения материи в доступной наблюдениям части Вселенной подчеркивает и возможность существования гигантского войда (СВ) в направлении 13=( 60° ± 20° ); Ь3= ( 0° ± 20° ) на расстоянии, оцениваемом нами как z~2.5-t-3.5. С А и СВ в определенном смысле образуют гравитационный диполь. Направление, задаваемое осью этого диполя, близко к направлению «Оси Вселенной», определенному по ориентации радиогалактик (Amirkhanjan [50]).

Интересно отметить, что обнаруженное нами гигантское скопление материи СА2 приблизительно соответствует по положению на небесной сфере пятну максимальной концентрации «коротких» у- всплесков. Такое соответствие может быть обусловлено повышенной концентрацией в районе СА2 массивных черных дыр и нейтронных/кварковых звезд, которые обычно рассматривают в качестве возможных источников у- всплесков [59].

Мы предполагаем, что причиной наблюдаемых нами на топографиях структур являются эффекты, связанные с «аномальным» усилением или поглощением излучения квазаров при прохождении им крупномасштабных неоднородностей материи, а не эффекты, вызванные случайными флуктуациями или селекцией. Основанием для такого предположения являются статистические расчеты, описанные в главе 4. Кроме того, мы провели ряд тестов на выявление возможных дополнительных эффектов, связанных с малой статистикой в области галактического экватора. В частности, при помощи стандартного алгоритма (глава 2), было исследовано поведение медианной видимой звездной величины квазаров в различных направлениях на небесную сферу (см. Рис. 8). Медиана, по сравнению со средней величиной, менее чувствительна к влиянию случайных флуктуаций при малой статистике и тот факт, что наблюдаемые на ее топографии структуры согласуются с поведением экстремумов на топографии линзирования на Рис.4, говорит в пользу статистической значимости этих экстремумов. Однако полностью исключить возможность селекции мы не можем. Результаты другого теста, который был связан с анализом влияния глубины выборки объектов каталога, показывают, что существует некоторая корреляция между областью на небесной сфере, где предельная видимая звездная величина минимальна (т.е. выявлялись возможно только более яркие объекты) и направлением на СА2 (Рис.9). Присутствием такой наблюдательной селекции можно было бы объяснить и «эффективное» усиление средней яркости квазаров в данном направлении и наличие в их спектрах максимума абсорбционных полос.

Как уже отмечалось ранее, периодичность наблюдаемых в распределении видимого вещества во Вселенной слоистых мегаструктур требует наличия регулирующего механизма. Таким механизмом может быть центральное поле гравитирующей мега массы (или масс). Т.о. обнаруженные нами скопления (СА и СА2) естественным образом вписываются в общую картину распределения материи на масштабах z~l.

В заключении отметим, что наши выводы о существовании гигантских скоплений и войдов на масштабе z ~ 1-гЗ согласуются с мнением Sylos Labini [51] о том, что известные скопления и сверхскопления галактик не являются наиболее крупномасштабными структурами. Это в совокупности с другими результатами (см. главу 1) может свидетельствовать в пользу существования аналогичных структур на любых масштабах, т.е. о глобальном фрактальном характере распределения материи [1].

Окончательно выводы работы можно кратко сформулировать следующим образом:

1. Анализ топограмм, описывающих поведение параметров квазаров на Небесной сфере, выявил существование аномалий (пятен) в направлении на определенные области неба. Первое пятно lj=( 250° ± 20° ); ht= ( -5° ± 20° ) мы связываем с наличием в данном направлении в районе z~2 гигантской массы - СА. Крупномасштабное падение материи на СА может объяснить наличие в этом направлении и минимума наклона прямой на диаграмме Хаббла, и максимума абсорберов и эмиссионных линий углерода, и максимальной относительной яркости квазаров.

2. Аналогичные рассуждения в отношении пятна 12=( 120° ± 20° ); Ь2=( 5° ± 20° ) наводят на мысль о существовании еще одной крупномасштабной неоднородности в распределении материи в районе z~3 - СА2.

3. Картину неоднородности распределения материи в доступной наблюдениям части Вселенной подчеркивает и возможность существования гигантского войда (СВ) в направлении 13=( 60° ± 20°); Ь3= ( 0° ± 20° ) на расстоянии, оцениваемом нами как z~2.5-^3.5. СА и СВ в определенном смысле образуют гравитационный диполь. Направление, задаваемое осью этого диполя, близко к направлению «Оси Вселенной», определенному по ориентации радиогалактик (Amirkhanjan [50]).

4. Периодичность наблюдаемых в распределении видимого вещества во Вселенной слоистых мегаструктур требует наличия регулирующего механизма. Таким механизмом может быть центральное поле гравитирующей мега массы (или масс). Т.о. обнаруженные нами скопления (СА и СА2) естественным образом вписываются в общую картину распределения материи на масштабах z~l.

5. Обнаруженное нами гигантское скопление материи СА2 приблизительно соответствует по положению на небесной сфере пятну максимальной концентрации «коротких» у-всплесков. Такое соответствие может быть обусловлено повышенной концентрацией в районе СА2 массивных черных дыр и нейтронных/кварковых звезд, которые обычно рассматривают в качестве возможных источников у-всплесков.

6. Наши выводы о существовании гигантских скоплений и войдов на масштабе z « 1ч-3 согласуются с мнением Sylos Labini [51] о том, что известные скопления и сверхскопления галактик не являются наиболее крупномасштабными структурами. Это в совокупности с другими результатами (см. главу 1) может свидетельствовать в пользу существования аналогичных структур на любых масштабах, т.е. о глобальном фрактальном характере распределения материи [1].

1. Baryshev Y.V., Sylos Labini F., Montuori M., Pietronero L. Vistas in Astronomy, 38,419 (1995)

2. Broadhurst T.J., Ellis R.S., Koo D.C., Szalay A.S. Nature 43, 726 (1990)

3. Bahcall N.A. Ap.J. 376, 43 (1991)

4. Guzzo L., Collins C.A., Nichol R.C. & Lumsden S.L. Ap.J. 393, L5 (1992)

5. Pietronero L.& Sylos Labini F. Comments on the CfA analysis preprint (1995)

6. Lynden-Bell et. al Ap.J. 326, 19 (1988)

7. Litvin et. al Astron. Nachr. 310, 23 (1989)

8. Sylos Labini F. Ар.J. 433, 464 (1994)

9. Kunth D., XXIII Recontre de Moriond «Dark matter», Savoie, France 219(1989)

10. Karlsson K.G. Astron. & Astrophys. 58, 237 (1977)

11. Burbidge E.M. Phys. Scripta 17, 165 (1978)

12. Khodyachikh M.F. Astrophysika 31, 87 (1989)

13. Litvin V.F. et.al Preprint St. Petersburg Inst, of Nucl. Phys. 1865 (1993)

14. Рябинников А.И., Варшалович Д.А., Каминкер А.Д. Письма в Астр, журнал 24, стр. 488 (1998)

15. Einasto J. Nature 385, 139 (1997)

16. Мао S.& Kochanek C.S. MNRAS 268, 569 (1994)

17. А.Ф. Захаров «Гравитационные линзы и микролинзы», Москва, Янус-К, 1997 стр. 206

18. Miralda-Escude J. Ap.J. 390, L65 (1992)

19. Miralda-Escude J. Ap.J. 403, 497 (1993)

20. Miralda-Escude J. Ap.J. 370, 1 (1991)

21. Kristian J. & Sachs R.K. ApJ 143, 379 (1966)

22. Gunn J.E. Ap.J. 150, 737 (1967)

23. Bartelmann M. A & A 298, 661 (1995)

24. Baryshev Y.V., Sylos Labini F., Pietronero L. submitted to EurophysLett. (1995)

25. Copi C.J., Schramm D.N., Turner M.S. Science 26, 192 (1995)

26. Persic M. & Salucci P. MNRAS 258, 14 (1992)

27. Turner M. S. astro-ph/9901168

28. Wasserman J. Phys. Rev. Lett. 57, 2234 (1986)

29. Hill C., Schramm D.N., Fry J.N. Comments Nucl. Part. Phys. 19, 25 (1989)

30. Anselm A.A. Preprint DESY 90-134 (1990)

31. Ансельм A.A. ЖЭТФ 100, стр. 5 (1991)

32. Litvin V.F. et al., Astrophys. and Space Sei. 215, 245 (1994)

33. Hewitt A. & Burbidge G. Astrophys. J. Suppl. Ser. 63, 1 (1987)

34. Hewitt A. & Burbidge G. Astrophys. J. Suppl. Ser. 69, 1 (1989)

35. Paturel G., Fouque P., Botinelli L. and Gougenheim L. Astrophys. J. Suppl. Ser. 80, 299(1989)

36. Litvin V.F. et. al., Astron. and Astrophys. Trans. 5, 81 (1994)

37. Rjess A. G., Press W. H. & Krishner R.P. Astrophys. J. 473, 88 (1996)

38. Koranyi D. M. & Strauss M. A. Ap.J. 477, 36

39. Jones M. A., Fry J. N. astro-ph/9804213

40. Hewitt A. & Burbidge G. Astrophys. J. Suppl. Ser. 74, 1 (1993)

41. Litvin V.F., Orlov V.V., Holzmann F.M., Taibin B.S., Matveef S.A. and Pereira W.E. Astrophys. and Space Sci. 253, 181 (1997)

42. Hawkins M.R.S. Nature 366, 242 (1993)43. Cristiani et. al (1996)

43. Hawkins M.R.S. MNRAS 278, 787

44. Hawkins M.R.S., Taylor A.N. Astrophys. J. Lett. 482, 2 (1997)

45. Darvskikh A.F. and Darvskikh Z.V. Astron. Rep. 72, 163 (1994)

46. Yanden Berk D.E., Quashnock J.M., York D.G. and Yanny B. Astrophys. J. 469, 78 (1996)

47. Барышев Ю.В., Езова Ю.Л. Астр, журнал 74, стр. 497 (1997)

48. Gnedin N.Y., Ostriker J.P., Ар. J. 486, 581 (1997)

49. Amirkhanjan V.R. Bulletin Spec. Astrophys. Obs. 37, 119 (1994)

50. Sylos Labini F. Physica A, 230, 336 (1996)

51. Smooth G.F. astro-ph/9902027

52. Turner M. S., Tyson J.A. astro-ph/9901113

53. Liddle A. R. astro-ph/9901124

54. Линде А. Д. «Физика элементарных частиц и инфляционная космология» Москва, «Наука», 1990

55. Horvath I. Astrophys. J. 508, 757 (1998)

56. Meegan C.A., Pendelton G.N., Priggs M.S. et. al. Current BATSE GRB Catalog (1997)

57. Gnedin N.Y. News & Views in Physics & Astrophysics, International Workshop (1997)

58. Abazajian K. et.al. astro-ph/9802085