Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Рекомбинация первичной плазмы -процесс, приводящий в итоге к образованию нейтральных атомов из ионов и свободных электронов вследствие уменьшения температуры при космологическом расширении. Этот процесс имеет три ярко выраженных этапа, при которых существенно изменяется доля свободных электронов: (1) рекомбинация гелия НеШ^НеІІ (z ~ 5000 — 7000), (2) рекомбинация гелия НеІІ^НеІ О ~ 1500 - 3000), (3) рекомбинация водорода HII->HI (z ~ 900 - 1600), где z - космологическое красное смещение. Поскольку других нуклидов (D, Не, Li, В и пр.) в первичной плазме существенно меньше, чем 1Н и 4Не (< Ю-4 по числу частиц), обычно рассматривают рекомбинацию именно водородно-гелиевой плазмы [1-3]. Рекомбинация прочих элементов рассматривается в отдельно взятых случаях для специальных задач, таких как, например, влияние рекомбинации лития на анизотропию микроволнового фонового излучения ( [4] и ссылки там же), формирование первичных молекул ( [5] и ссылки там же) и др.
Рекомбинация первичной плазмы оказывает существенное влияние на формирование крупномасштабной структуры Вселенной и анизотропии реликтового излучения (т.е. малых (Ю-5) флуктуации температуры РИ на различных угловых масштабах), поскольку именно этот процесс определяет эпоху т.н. просветления Вселенной и период отделения излучения от вещества. Высокая концентрация свободных зарядов (прежде всего электронов) на ранних этапах развития Вселенной (при красных смещениях z > 1070) приводит к тому, что оптическая толща в этот период чрезвычайно велика и эти эпохи фактически не доступны наблюдениям. При этом излучение "сцеплено" с веществом и плазма представляет собой фотонно-барионную жидкость, скорость звука в которой равна с/у/3. Столь высокая упругость среды эффективно препятствовала падению баринной материи в гравитационные "ямы", созданные темной материей. Рекомбинация означает связывание свободных зарядов, что позволяет реликтовому излучению (начиная с некоторого момента, который и называется "эпохой просветления Вселенной") распрострас-траняться свободно, практически не взаимодействуя с веществом. При этом скорость звука уменьшается до значений, соответствующих значениям порядка у/квТ/тн- Уменьшение упругости среды является необходимым фактором роста возмущений плотности барионной компоненты первичной среды и способствует образованию первичных гравитационно-связанных систем, из которых впоследствии формируются галактики и скопления галактик. Таким образом, исследование рекомбинации чрезвычайно важно для понимания физики формирования крупномасштабной структуры Вселенной и анализа экспериментальных данных по анизотропии РИ.
Существенный прогресс в наблюдениях анизотропии РИ, достигнутый во второй половине 1990-х годов (BOOMERANG, WMAP), привел к необходимости учета ряда тонких эффектов, которые могут повлиять на рекомбинацию первичных водорода и гелия на уровне 0.1 — 1% [6-14], и которые будет необходимо учитывать при анализе результатов будущих экспериментов по измерению анизотропии РИ (Planck и др.). Рассмотрению ряда таких эффектов посвящены первые две главы диссертации.
В процессе рекомбинации первичной плазмы формируется неравновесное рекомбинационное излучение, которое искажает (планковский) спектр РИ. Относительная величина этих искажений в рэлей-джинсовской части спектра РИ, доступной наблюдениям (т.е. не зашумленной радиоизлучением галактик) не превышает 3 Ю-7, что соответствует абсолютным возмущениям температуры менее 1 мкК. Эта величина соответствует предельным значениям чувствительности современной аппаратуры, поэтому в настоящее время наблюдение этих спектральных искажений невозможно. Тем не менее, бурный прогресс в области создания измерительной техники, связанный с решением экспериментальных задач по наблюдению анизотропии РИ (где также приходится иметь дело с малыми возмущениями температуры величиной 1-100 мкК), позволяет надеятся, что эксперименты по наблюдению искажений спектра РИ, обусловленных рекомбинацией первичной плазмы, станут возможны в ближайшие десятилетия. Подобные эксперименты станут независимым космологическим тестом и позволят уточнить информацию о значениях таких космологических параметров как плотность барионов и доля гелия в первичном хим. составе Вселенной. Рассмотрению вопросов, связанных с формированием рекомбинационного излучения, посвящена третья глава диссертации.
Цели работы.
Исследование влияния перепоглощения Lya квантов водорода, "покрасневших" в результате космологического красного смещения, на кинетику переходов HI 2s^ls (т.н. эффект обратной связи) и, тем самым, на кинетику рекомбинации первичного водорода.
Исследование влияния перепоглощения резонансных квантов HI (n + l) —> 1 водорода, "покрасневших" в результате космологического красного смещения, на кинетику переходов HI п <-> 1 (эффект резонансной обратной связи) и, тем самым, на кинетику рекомбинации первичного водорода.
Исследование влияния нейтрального водорода, поглощающего резонансные кванты гелия Неї, на кинетику рекомбинации первичного гелия Hell -> Неї.
Расчет спектра излучения, возникающего при связанно-связанных переходах в атомах водорода в течение его рекомбинаци.
Расчет спектра излучения HI Lya, обусловленного переизлучением резонансных квантов Неї, рождающихся при рекомбинации гелия НеІІ^НеІ
Новизна работы.
Впервые рассмотрено влияние "покрасневшего" рекомбинационного НІ Lya излучения на скорость двухквантовых 2s^ls переходов в водороде (эффект обратной связи). Рассчитан фактор подавления скорости 2s^ls переходов, обусловленный этим эффектом. С использованием этого фактора рассчитана поправка к степени ионизации первичной плазмы, обусловленная эффектом обратной связи.
Аналитически рассмотрено влияние "покрасневшего" резонансного излучения HI (п + 1) —> 1 на скорость переходов HI п —> 1 и рассчитаны соответствующие факторы подавления.
Получена приближенная формула для вероятности "гибели" резонансных фотонов при поглощении в континууме с учетом частичного перераспределения по частоте и комбинационного рассеяния. Данная формула при-
менена для расчета скорости некомпенсированных резонансных переходов в гелии Неї, обусловленной поглощением резонансных квантов Неї нейтральным водородом. С учетом этого эффекта численно рассчитана рекомбинация гелия НеІІ^НеІ.
Рассчитан спектр рекомбинационного излучения, вызванного связанно-связанными переходами, происходящими в атомах водорода между уровнями с большими значениями главных квантовых чисел п < 160 в процессе рекомбинации первичной плазмы.
Получено аналитическое выражение для вероятности излучения фотона в заданной линии атома водорода (т.н. матрица КПД переходов).
Впервые рассчитан спектр излучения HI Lya, обусловленного переизлучением резонансных квантов Неї, рожденных при рекомбинации гелия НеІІ->НеІ.
Достоверность научных результатов. Результаты диссертации получены аналитически или путем численного моделирования. Их достоверность подтверждается использованием адекватных математических и численных методов в рамках физически разумных приближений. Результаты всех расчетов хорошо согласуются с результатами численных расчетов других научных групп [6,10,12,15-17].
Практическая значимость работы. Результаты первой и второй глав диссертации необходимы для корректного анализа экспериментальных данных по анизотропии РИ от будущего спутникового эксперимента Planck. Результаты третей главы диссертации могут быть полезны при планировании экспериментов по наблюдению спектральных искажений РИ, обусловленных рекомбинацией первичной плазмы.
Основные положения, выносимые на защиту.
Разработка метода расчета влияния "покрасневших"рекомбинационных Lya-квантов водорода на скорость переходов HI 2s^ls (т.н. эффект "обратной связи"). Расчет кинетики рекомбинации первичного водорода с учетом этого эффекта с использованием оригинального вычислительного кода.
Разработка метода учета влияния нейтрального водорода на кинетику рекомбинации НеІІ^НеІ. Вывод кинетического уравнения, описывающего рекомбинацию НеІІ^НеІ с учетом этого эффекта в рамках упрощенной ("трехуровневой") модели. Численный расчет рекомбинации НеІІ^НеІ.
Использование оригинального вычислительного кода для рассчета искажений спектра реликтового излучения, вызванных связанно-связанными переходами, происходящими в атомах водорода между уровнями с главными квантовыми числами п < 160 в процессе рекомбинации первичной плазмы. Вывод аналитического выражения для вероятности излучения фотона в заданной линии атома водорода (т.н. матрица КПД переходов).
Построение модели формирования излучения HI Lya, обусловленного рекомбинацией НеІІ^НеІ, и выполнение расчета спектра этого излучения.
Апробация работы и публикации. Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период с 2001 по 2008 гг. и изложены в 6 печатных работах (включая 4 статьи в реферируемых журналах). Результаты диссертационной работы были представлены:
На международных конференциях:
COSMION 2004, Россия, С.-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, устный доклад "CMBR distortion concerned with recombination of the primordial hydrogen plasma.", E.E. Kholupenko, A.V. Ivanchik, and D.A. Varshalovich
Workshop on "The Physics of Cosmological Recombination", Germany, Garching, MPA, 2008, устный доклад "Effect of Resonant Re-absorption FeedBack during cosmological recombination of hydrogen", E.E. Kholupenko, A.V. Ivanchik, and D.A. Varshalovich
На всероссийской конференции "Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра 2007", Россия, Москва, ИКИ, 2007, устный доклад "Космологическая рекомбинация гелия НеІІ^НеІ", Холупенко Е.Е., Иванчик А.В. и Варшало-вич Д.А.
На семинарах сектора теор. астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе, на Низкоразмерном семинаре ФТИ им. А.Ф. Иоффе, а также на конкурсах работ молодых ученых ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 2005 и 2006 годах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 105 страниц печатного текста, 40 рисунков, 3 таблицы и список литературы, включающий 88 наименований.
