Поиск отклонений от однородного и изотропногораспределения материи во Вселенной накосмологических масштабах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Матвеев Сергей Анатольевич ' ' ° ^ ^

IVI г\/ |

Поиск отклонений от однородного и изотропного распределения материи во Вселенной на космологических масштабах

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц 01.03.02-астрофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена на кафедре ядерной физики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, профессор Литвин В.Ф.

Официальные доктор физико-математических наук оппоненты: Ложкин О.В.

Защита диссертации состоится « 2.Ц- » СХУлр^ДЛ 2000 года, в \4 час. 00 мин., на заседании диссертационного совета Д. 063.57.14 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете с по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб". д. 7/9.

С диссертацией можно ознакомится в Научной библиотеке им. М. Горького при СПбГУ

199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб. д. 7/9.

Автореферат разослан «_»_2000 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Чубинский-Надеждин О.В.

доктор физико-математических наук Барышев Ю.В.

Ведущая организация:

Физико-технический институт им.Иоффе РАН, Санкт-Петербург.

18р 0 5

Общая характеристика работы

Актуальность темы Изучение распределения материи на масштабах больших 10 Ь"1 Мпк (Ь - Н/100 км сек"1 Мпк"1, Н да 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 й 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 зарождения» ~ 10"33 с). На этой стадии существенную роль играют так называемые квантово-гравитационные эффекты и эффекты ТВО. Т.о. наблюдательная космология оказывается важным

источником информации для теории элементарных частиц в плане проверки реальности существования в наше время «реликтов» той эпохи типа «доменных стенок», монополей, полей Полоньи, космических струн и т.д., предсказываемых различными вариантами ТВО, 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 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 2Т> и ЗБ 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.

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 Z -14-3.

Научная новизна 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 Теории Великого Объединения с наблюдаемой крупномасштабной структурой Вселенной.

Практическая ценность 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.

Апробация работы Результаты работы

докладывались на семинарах кафедры астрофизики и небесной механики Астрономического института СПбГУ, на кафедре НИИ физики при СПбГУ, в Физико-техническом институте, а также на международной Гамовской

мемориальной конференции (ОМ1С'99).

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в статьях [Р1,Р2,РЗ].

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика топографирования, применяемая для поиска и изучения крупномасштабных неоднородностей в распределении материи во Вселенной.

2. Интерпретация обнаруженных в работе аномалий в поведении глобальных топографий параметров квазаров на небесной сфере как областей повышенной или пониженной концентрации гравитирующей материи.

3. Связь характерных масштабов неоднородностей с некоторыми следствиями Теорий Великого Объединения.

4. Гипотеза о существовании связи между гигантским скоплением материи, линзирующим излучение квазаров и анизотропией распределения «коротких» у-всплесков.

5. Методика статистического моделирования, применяемая для оценки влияния эффектов, связанных со случайными флуктуациями и селекцией.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 62 страницы текста, 9 таблиц и 12 рисунков. Список цитируемой литературы включает 52 наименования.

I. Общее содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования и дан краткий обзор работы.

Б главе 1 мы приводим краткий обзор работ по статистическому анализу наблюдательных данных по крупномасштабной структуре и сравниваем результаты этих работ с предсказаниями современных космологических моделей.

Изучение общего количества и распределения материи во Вселенной можно вести либо прямым подсчетом галактик, их скоплений или квазаров в зависимости от красного смещения (2Б и 30 обзоры), либо с помощью анализа крупномасштабных галактических потоков, либо поиском и исследованием гигантских дуг и дужек, а также квазаров, имеющих кратные изображения. В разделе 1.1 каждый из методов рассматривается подробно. (1.1.1 - 2Б и ЗЭ обзоры галактик; 1.1.2 - крупномасштабные галактические потоки; 1.1.3 - квазарные популяции; 1.1.4 -микроволновое фоновое излучение; 1.1.5 — гравитационное линзирование)

В 80-х годах расширение наших понятий о физике процессов, происходящих на ранних этапах эволюции Вселенной, привело к созданию теории названной сценарием инфляции. Раздел 1.2 посвящен современным космологическим моделям, базирующимся на этом сценарии. В разделах 1.2.1-3 описываются основы стандартной космологии. В разделе 1.2.4 рассматривается сценарий, включающий стадию инфляции и описывающий эволюцию Вселенной, в которой доминирует холодное скрытое вещество (он получил название инфляция + темная холодная материя) [1]. Неоднородности плотности в этом сценарии растут в начале в небарионном скрытом веществе, а затем барионы падают в образованную потенциальную яму. В разделе 1.2.5 обсуждается идея, высказанная в

работах Ансельма [2,3] и состоящая в том, что ответственным за появление неоднородностей материи является скалярное поле, которое при некоторой температуре То, меньшей температуры разделения излучения и вещества (То < 3000 К), выпадает в конденсат. Сферическая симметрия слоев данного конденсата, однако, может быть обеспечена наличием конденсирующего центра (или нескольких центров). Роль такого центра может выполнить обнаруженный группой Литвина Суператтрактор (СА) Г41.

Применяемые в [4] методики поиска неоднородностей в распределении материи использованы и развиты в данной работе (глава 2).

В разделе 2.1 на примере топографии наклона прямой на диаграмме Хаббла рассмотрена стандартная методика топографирования. Анализ каталога НеуЛи&ВигЫс^е [5], проведенный при помощи данной методики указывает на возможное существование выделенного направления а1=(90о ± 2и°); 5х= (-25° ± 20°) вдоль которого осуществляется крупномасштабное коллективное движение квазаров. Причиной такого движения может быть наличие в выделенном направлении некою притягивающего центра. Однако эта гипотеза требует независимого подтверждения.

Если гипотетический притягивающий центр (или аттрактор) образует протяженную гравитационную систему тогда можно говорить о том, что в районах прилегающих к нему наблюдается концентрация большого количества массивных облаков холодного несветящегося вещества. Поэтому мы можем ожидать наличия большого количества абсорберов в спектре квазаров для этой части неба. Этот подход лег в основу еще одной методики поиска

крупномасштабных неоднородностей в распределении материи - топографии абсорберов (раздел 2.2). Анализ данных топограмм указывает на наличие концентрации поглощателей в направлении ai=(90° ± 20°); 5i= (-25° ± 20°), В свете выше сказанного этот факт может быть интерпретирован как наличие в направлении на пятно ai=(90° + 20°); 81= (-25° ± 20°) протяженной гравитирующей структуры.

В работе Darvskich & Darvskich [6] был обнаружен эффект усиления наблюдаемой яркости квазаров, имеющих абсорбционные линии относительно квазаров без абсорбционных линий. Данный результат был подтвержден Vanden Berk et al. [7]. В этих работах, как возможное объяснение эффекта, рассматривалось линзирование излучения квазаров массивными объектами, составляющими поглощающую среду. Т.о. поиск направлений максимального линзирования квазаров по всей небесной сфере мог бьт стать дополнительным подходом к решению проблемы выявления структур в распределении гравитирующей материи на масштабах z~l. В разделе 2.3 нами предлагается методика такого поиска.

Ранее при построении топографии наклона прямой на диаграмме Хаббла и анализе распределения абсорберов мы использовали экваториальные координаты, целиком следуя оригинальной процедуре, описанной в работе [4]. Однако, начиная с раздела 2.3, при изложении материала мы переходил! к галактическим координатам, так как это

ПГППОТТает ЧЯМ НЯИ^ПТТРР ^ффектнпио Г>тгТП^ЯГНпятт- рпупяйитар

структуры, появление которых, вследствие сильных случайных флуктуации, следует ожидать в области галактического экватора. Кроме того, экваториальные

координаты не позволяю! рассматривать области, прилегающие к полюсам мира, т.к. они сильно искажаются в Меркаторской проекции. Это в частности приводит к тому, что вторая обнаруженная нами аномалия на топографиях в экваториальных координатах отсутствует.

В гпяпе 3 полученные результаты суммируются и на основании этого наблюдаемые аномалии на тех или иных топографиях трактуются как области повышенной или пониженной концентрации гравитирующей материи.

В ряде случаев, дополнительную информацию, подтверждающую наличие скоплений материи в выделенном направлении на небесной сфере, можно получить, проводя химический анализ эмиссионных спектров квазаров. В работе 1'недина и Острикера [8], например, говорится о том, что процесс иерархического скучивания нейтрального газа в ранней Вселенной, мог привести к образованию кластеров массивных звезд. Интенсивное выгорание легких элементов и генерация более тяжелых, в этих звездах, приводят к сильному обогащению близ лежащих областей металлами. Т.о. наличие повышенного содержания тяжелых элементов в наблюдаемой области может быть свидетельством происходивших там процессов сильного скучивания материи.

Используя этот подход, мы провели сравнительный анализ спектральных, линий квазаров каталога [5] в различных участках неба. Полученные результаты говорят о некотором превышения над фоном относительного содержания тяжелых элементов в районах, прилегающих к и А и СА2. Хотя они и основаны на бедной статистике, но в совокупности с другими результагами подтверждают наши выводы о существовании гигантских скоплений материи на

масштабе г ~1.

Подробный анализ топограмм линзирования и относительной плотности абсорберов, о которых шла речь в предыдущих главах, показывает, что все экстремальные пятна лежат вблизи плоскости галактического экватора. Это вносит определенный скепсис в отношение к изложенной интерпретации полученных нами результатов. Малая статистика в районах, прилегающих к галактическому экватору, приводит к увеличению влияния случайных флуктуаций при анализе данных. Т.о., повышается вероятность образования случайных структур, аналогичных обнаруженным пятнам. Кроме того, неоднородность выборки объектов каталога Не\\аА:&ВигЫс1§е [5] для различных площадок небесной сферы может привести к скрытой селекции. Для того чтобы оценить влияние этих факторов, в главе 4 мы провели статистический анализ каталога Не-шН&ВигЫс^е [5] несколькими методами.

В разделе 4.2 показано, что роль эффектов, связанных со случайными флуктуациями мала. Это, в совокупности с результатами, полученными при оценке статистической значимости наблюдаемых пятен (раздел 4.1) говорит о том что образование аномалий на обсуждаемых топографиях, можно интерпретировать как физический эффект согласно Главе 3.

В главе 5 мы обсуждаем обнаруженную нами анизотропию в распределении □ -всплесков короткой длительности (Т90 < 5 сек).

Заключение посвящено общей дискуссии и окончательным выводам, которые кратко можно сформулировать следующим образом:

6. Анализ топограмм,, описывающих поведение

параметров квазаров на Небесной сфере, выявил существование аномалий (пятен) в направлении на определенные области неба. Первое пятно Ц= ( 250° ± 20° ); Ь1= ( -5° ± 20° ) мы связываем с наличием в данном направлении в районе х~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.

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

4. Картину неоднородности распределения материи в доступной наблюдениям части Вселенной подчеркивает и возможность существования гигантского войда (СВ) в направлении 1з=( 60° ± 20°); Ьз= ( 0° ± 20° ) на расстоянии, оцениваемом нами как z~2.5-h3.5- СА и СВ в определенном смысле образуют гравитационный диполь. Направление, задаваемое осью этого диполя, близко к направлению «Оси Вселенной», определенному по ориентации радиогалактик (АпигкЬагуап [9]).

5. 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.

1. 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.

2. Наши выводы о существовании гигантских скоплений и войдов на масштабе z « l-í-3 согласуются с мнением Sylos Labini [10] 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 [11].

Публикации по теме диссертации

PI. Litvin V.F., Orlov Y.Y., Holzmann F.M., Taibin B.S., Matveev S.A. and Pereira W.E., 1997, Astrophys. and Space Sei., 253,181

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, стр.120, вып.2, №8, 1999

Цитированная литература

1. Turner М. S. astro-ph/9901168

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

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

4. Litvin V.F., Orlov Y.V., Holzmann F.M., Taibin B.S., Astrophys. and Space Sei. 215, 245 (1994)

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

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

7. Vanden Berk D.E., Quashnock J.M., York D.G. and YannyB. Astrophys. J. 469, 78(1996)

8. Gnedin N.Y., Ostriker J.P., Ap. J. 486, 581 (1997)

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

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

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