Наблюдательные проявления рекомбинации вещества в ранней Вселенной Столяров, Владислав Александрович

Введение к работе

Актуальность проблемы.

В настоящее время ставится множество экспериментов по наблюдениям и поиску различных космологичеких эффектов по всему диапазону частот, начиная от рентгеновского и заканчивая радиодиапазоном. Необходимость их вызвана тем, что хотя стандартная модель Большого Взрыва является общепризнанной, остается ряд нерешенных проблем, из которых главные: а) структура Вселенной выбор между открытой и закрытой моделями; б) неоднородное распределение вещества и, особенно, скучивание галактик; в) происхождение галактик, их вращения и магнитного поля; г) отсутствие значительной наблюдаемой пространственной анизотропии микроволнового фонового излучения.

Важное место в эволюции Вселенной занимает рекомбинация вещества, необходимость которой напрямую следует из стандартной модели Большого Взрыва. Её наблюдательными проявлениями должны быть т.н. реликтовые рекомбинационные линии водорода и гелия, которые должны наблюдаться в сантиметровом и дециметровом диапазоне длин волн на фоне спектра реликтового излучения (РИ), и таким образом искажать его планковскую форму.

В стандартной модели горячей Вселенной рекомбинация водорода и гелия происходит при красных смещениях от г-1500 до z-6000. Этот процесс исследовался как с целью определения его влияния на замытие первичных пространственных флуктуации температуры реликтового излучения (РИ), так и для оценки величины изотропных спектральных искажений РИ [1-4]. В диссертации рассмотрены вопросы об образовании спектральных искажений РИ - рекомбинационных линий HI, Hell и НеШ, а также предложена методика их наблюдений и рассмотрены различные факторы, осложняющие проведение таких наблюдений.

Как известно, при расширении Вселенной происходит уменьшение температуры вещества Т_т и излучения Т_г. Из-за сильного взаимодействия между ними на ранних стадиях эволюции, температуры Т_т и Т_Т равны с очень высокой точностью, а спектр излучения

планковский. При уменьшении температуры ниже некоторой, вещество из ионизированного состояния переходит в нейтральное. Для основных элементов, составляющих первичное вещество - гелия и водорода, эти этапы приходятся на интервал z от -6000 до -1500. Изменение температуры вещества и излучения происходит очень медленно, по сравнению с характерными временами радиационных переходов в атомах. Поэтому можно было бы ожидать крайне малой величины искажений спектра РИ. Однако, легко показать [2], что основная часть переходов обусловлена взаимодействием с фоновым излучением, т.е. поглощением и излучением квантов РИ без изменения его спектра (в силу принципа детального равновесия). Искажение может возникнуть только при наличии какой-либо неравновеспости, например, при существенном изменении степени ионизации. Именно поэтому в период полной ионизации искажений не возникает, т.к. все акты рекомбинации компенсируются соответствующим числом ионизации. Отсюда следует важный вывод - профиль рекомбинационной линии будет определяться динамикой рекомбинации, т.е. скоростью изменения степени ионизации как функции г. По профилям рекомбинациониых линий можно сделать заключение о величине основных космологических параметров - общей плотности вещества Q, плотности водорода во Вселенной сон, постоянной Хаббла Я₀ (или, по крайней мере, об их относительных величинах), которые и определяют динамику рекомбинации вещества.

В диссертации показано, что контраст рекомбинациониых линий достаточно мал - AT < 3-Ю" К в терминах температуры, что составляет по отношению к самой температуре РИ ЛТ/Т<10 на частотах 2-4 ГГц. Однако радиоастрономическая техника постоянно развивается, и в настоящее время уже возможна постановка эксперимента по регистрации реликтовых рекомбинационных линий водорода и гелия. Необходимую чувствительность предполагается достичь с помощью системы многоканальных радиометров, реализующих параметры, близкие к предельным. Промышленный масштаб производства малошумящих НЕМТ-траизисторов сделал их достаточно дешевыми для применения в подобной аппаратуре в больших количествах.

К сожалению, имеется ряд факторов, которые будут затруднять проведение такого эксперимента. Для достижения столь высокой чувствительности необходимы большие времена накопления. Точно неизвестно, как в этом случае будет сказываться влияние дискретности метагалактического фона и слабого поглощения в линиях О2 и Н2О в

конце дециметрового и начале сантиметрового диапазона. Долговременное влияние промышленных помех тоже может исказить спектр линий.

Целью диссертационной работы является:

математическое моделирование процесса формирования искажений планковского спектра реликтового излучения за счёт рекомбинации водорода и гелия в ранней Вселенной;

разработка рекомендаций для создания приёмного комплекса, который позволил бы зарегистрировать реликтовые рекомбинационные линии водорода и гелия;

оценка влияния посторонних факторов, которые будут затруднять проведение наблюдений (промышленные и атмосферные помехи, атмосферное поглощение, влияние излучения Галактики и дискретности метагалактического фона).

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

Впервые проведены расчёты и получены новые данные по искажениям спектра РИ, возникающим при рекомбинации HI. Получены спектры рекомбинационных линий НІ в длинноволновой области.

Впервые рассчитаны интенсивности аналогичных искажений, возникающих при рекомбинации Неї и Hell.

Впервые наложен нижний предел на контраст рекомбинационных линий АТ/Т<\0~Ь, а на амплитуду спектральных искажений реликтового излучения АТ/Т<5-Ш⁶в начале дециметрового диапазона длин волн.

Практическая ценность работы состоит в том, что её результаты дают возможность планировать эксперимент, в котором можно получить доказательства существования РИ до 2~1500ч-6000 со спектром, близким к планковскому, а также доказать, что распределение вещества было изотропным и термодинамически равновесным. Кроме того, в случае точного измерения параметров реликтовых рекомбинационных линий HI, Неї и Hell можно сделать заключения о величине фундаментальных космологических параметров Q, н, ^о^-

На защиту выносятся

1. Результаты расчётов спектральных искажений РИ, возникающих за
счёт рекомбинации водорода при г-1500.

1. Методика и результаты расчётов спектральных искажений РИ, возникающих за счёт рекомбинации гелия при 2-2700 и 2-6000.

2. Анализ существующих методов и рекомендации по оптимальной методике поиска реликтовых рекомбинационных линий.

4. Анализ прболемы помех и выбор оптимального диапазона для наблюдений.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на конференциях молодых радиоастрономов в РАС ФИАН, г. Пущино (1994-1996); астрофизических семинарах САО РАН, п.Н.Архыз; семинарах каф. радиоастронмии и итоговых конференциях КГУ, г.Казань (1994-1995); на конференции YERAC XXVII, г.Кэмбридж, Великобритания (1994); на конференции YERAC XXVIII, г.Гронинген, Нидерланды (1995) и были представлены на 26-й радиоастрономической конференции, СПб (1995) в виде стендовых докладов. Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Стуктура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 140 страниц текста, в т.ч. 30 рисунков, 3 таблицы. Библиография - 130 названий.