Астрономия и фундаментальная физика

Сергей Попов

(ГАИШ МГУ)

Почему астрономия?• Лаборатория размером 1028 см• Экстремальная гравитация (черные дыры)• Высокие плотности и магнитные поля (нейтронные звезды)• Энергии частиц, недостижимые на ускорителях (космические лучи)• Экзотические частицы и поля (темная материя, темная энергия)

Поэтому, хотя зачастую данныеастрономии не столь «прямые»,как данные лабораторныхэкспериментов, приходитсяс этим мириться, ибо многиепараметры пока недостижимына земных установках.

Множество разных подходов

• Космические лучи• Внутреннее строение нейтронных звезд• Кварковое вещество• Магнитары• Космология. Темная энергия• Темное вещество• Многомерие. Теория тяготения• Модели ранней вселенной• Проверки ОТО. Черные дыры• Нарушение лоренц-инвариантности• Нейтрино• Гравитационные волны

Альтернативные теории гравитацииПостоянно продолжаются работы по разработке более фундаментальныхтеорий гравитации, чем ОТО. Однако важно оставаться в контактес экспериментом и наблюдениями.

В солнечной системе возможны тестытолько в пределе «слабого поля».Сильные поля существуют в непосредственной окрестностинейтронных звезд и черных дыр.

Пока все ОТО проходит все проверки. Одни из наиболее точных тестов связаныс наблюдением двойных радиопульсарови с наблюдениями в Солнечной системе.

Тесты теорий гравитации

Необходимы проверки в разных режимах.Наиболее сильные тесты связаны снаблюдением поведения материивблизи нейтронных звезд и черных дыр.

Гравпотенциал

Кр

иви

зна ЧД в двойных

НЗ в двойных

АЯГ

Двойной PSR

Gravity Probe B

ЛунаМеркурий

Диски вокруг черных дыр: взгляд со стороны

http://web.pd.astro.it/calvani/

Диск при наблюдении издалекаСлева: не вращающаяся ЧДСправа: вращающаяся ЧД

Температура диска

Линия в аккреционном диске

Линии и вращение черных дыр

Данные XMM-Newton

Тот факт, что линия«залезает» в красную сторону ниже 4 кэВ,говорит о том, чтоЧД быстро вращается(диск подходит ближе шести радиусов Шварцшильда).

Многомерие. Некоторые современные теорииоперируют более чем тремяпространственными измерениями.Обнаружение дополнительныхизмерений возможно или на малыхмасштабах, или на очень больших.В последнем случае речь идетоб астрономических наблюдениях.

Состав вселенной

Неизвестные частицыНейтралино? Аксионы?

Неизвестные поля или вакуум

Темное веществоСталкивающиеся скопления галактик 1E 0657-56 (Bullet clusterBullet cluster))

Столкновение скоплений галактик

Прямые поиски темной материи в лабораториях на Земле

Эксперимент DAMA/LIBRA

Поиски следов аннигиляции

Приборы Pamela Избыток позитронов

GLAST/FermiВ 2008 году состоялся успешный запуск гамма-обсерватории GLAST, получившей затем имя Fermi. Одной из важнейших задач этого проекта является обнаружение гамма-лучей, возникающих при аннигиляции частиц темного вещества. Не исключено, что именно данные с Fermi сыграют ключевую роль в разгадке тайны темной материи.

Пока Fermi не видит явного сигнала,Связанного с аннигиляцией частиц темной материи.

Логотип проекта GLAST, который переименован в честь Энрико Ферми.

Поиск следов аннигиляции - 2

Поиск гамма-квантов, образующихсяв результате аннигиляции частицтемной материи в нашей Галактике.Поток будет больше от центральнойчасти нашего звездного острова.

Темная энергияЦелый комплекс данных указывает на то,что сейчас вселенная расширяется ускоренно.

Введено понятие темная энергия. Ее природа остается неясной: свойство вакуума или неизвестное поле.

Для изучения астрофизических проявлений темной энергии будутсозданы специальные спутники и реализованы наземные проекты:

• Обзоры для поиска сверхновых (спутники и наземные программы)• Наблюдения скоплений галактик (рентгеновские обзоры на спутниках)• Крупномасштабная структура (обзоры галактик)

Нарушение лоренц-инвариантности

В ряде теорий скорость света квантов электромагнитного излучения зависит от их энергии (и, соответственно, отличается от «обычной» скорости света).

t t

E

Соответственно, импульс от далекого источникабудет расплываться, т.к. импульс сформированфотонами с разной энергией.

Наиболее перспективно наблюдать гамма-источники.

Фотоны и квантовая пенаИзменение скорости распространения электро-магнитных волнпроисходит из-за взаимодействия фотонов с квантовой пеной.

По наблюдениям даетсяограничение на EQG.Необходимо наблюдатьдалекие источники навозможно больших энергиях.

Поиски

Пока наблюдения дают лишь верхние пределы.Для поисков используются наземныеи космические гамма-телескопы.

Наблюдают блазары и гамма-всплески.

Нейтринная астрофизика

Нейтрино от Солнца Нейтрино от взрывов сверхновых

Наблюдения нейтрино

Эксперимент AMANDA

в Антарктиде

Гравитационные волны

(подробнее см. «Вокруг света» N2 2007)www.vokrugsveta.ru

Предсказаны Общей теорией относительности.

Возникают при слиянии нейтронных звезд ичерных дыр. А также при вращении нейтронных звезд и при эволюции тесных двойных звезд.

Детекторы гравитационных волн

Первый детекторВебера

Эксперимент LIGO

Космические лучи высоких энергий Из космоса регулярноприлетают частицывысоких энергий.

Это еще один каналинформации о вселенной,И еще одна загадка.

История.1912: Виктор Гесс (Victor Hess) Нобелевская премия 1936 г.

Изучение космических лучей составило как бы отдельное научное направление на стыке физики частиц и астрофизики.

Постоянно появляются новые установки как наземные, так и космические.

Поток у Земли составляет порядка 0.2 частицы за секунду на квадратный сантиметр со стерадиана. Основной вклад вносят как раз частицы с относительно низкой энергией (1-10 ГэВ).Ниже 1 ГэВ – уже не космические лучи, а солнечные.1 ГэВ – масса протона.

                               

Ускорители для бедныхДо конца 50-х гг. физики, пока у них не появились мощные ускорители,активно использовали потенциал космических лучей. Несколько крупнейших открытий было сделано с помощью наблюдений КЛ.Например, так в 1932 году Карлом Андерсоном был открыт позитрон.

В 1936 г. он же открыл мюоны, исследуя космические лучи.

О чем рассказывают космические лучи и почему они важны

1. Новый канал информации.

2. Вопрос о происхождении и эволюции.

3. Открытие новых частиц. Естественные ускорители.

4. В Галактике КЛ динамически важны. Их плотность энергии порядка энергии магнитного поля и тепловой энергии газа.

Спектр космических лучейНа 90% космические лучи состоят из протонов, на 10% - из альфа-частиц,остальное – более тяжелые ядра,электроны, и тд.

Для первичных КЛ у Земли:I=0.2-0.3 частиц/(см2 с ср)N=10-10 частиц/см3

W=10-12 эрг/см3=1 эВ/см3

Первичные КЛ поверхности Землипрактически никогда не достигают(лишь около 1%).

Вторичные частицы: на 70% мюоныи на 30% электроны и позитроны.

ГЗК завал в спектре

Взаимодействие КЛ с фотонами реликтового излучения и ИК фотонами.

Грейзен-Зацепин-Кузьмин. 60-е гг.

Вопрос о происхожденииПроисхождение космических лучей сверхвысоких энергий (и даже их состав)

до сих пор остается неизвестным.

1. Ускорение2. Распад сверхмассивных частиц

Для решения этих вопросов строят новые крупные обсерватории.

Если распад частиц, то интересна их связь с темных веществом.Если ускорение, то интересно, что же это за источники.

Обсерватория им. Оже

http://www.auger.org

Задачи для Оже

1. Спектр

2. Состав (протоны, фотоны, ядра)

3. Направления прихода. Анизотропия? Источники?

Два типа детекторов: флуоресцентные и черенковскиеОколо 10% событий регистрируется сразу двумя методами(флуоресцентные работают только ясными безлунными ночами).

Черенковские детекторы

Флуоресцентные детекторы

Космические проектыВозможно, что следующим шагомв изучении космических лучейсверхвысоких энергий будетзапуск специальных космических аппаратов.

Нейтронные звезды – экстремальные источники• Сверхсильные магнитные поля (больше швингеровского)• Сильная гравитация (радиус порядка 3-4 шварцшильдовских)• Сверхплотное вещество (в центре плотность в несколько раз выше ядерной)

Магнитары

dE/dt > dErot/dt По определению:

расходуется энергия магнитного поля НЗ P-Pdot Прямые измерения магн. поля (циклотронные линии)

Магнитные поля 1014–1015 Гс

Процессы в сильном поле

В сильном магнитном поле могутэффективно идти процессы, которыев слабых полях маловероятны или невозможны.

«Сильное» поле – это более ~4 1013 Гс.Фотон может распадаться на два.Кроме того, даже фотоны с низкой энергиеймогут порождать электрон-позитронные пары.

Фазовая диаграммаРазные участки фазовойдиаграммы можно исследоватьс помощью ускорителей, с помощью расчетов на суперкомпьютерах, и с помощьюнаблюдений компактных объектов.

Все эти виды исследования не дублируют, а дополняютдруг друга.

Нейтронные звездыРадиус 10 кмМасса 1-2 солнечнойПлотность порядка ядернойСильные магнитные поля

Нейтронные звезды «с разных точек зрения»

• Обычные нейтронные звезды• Пионный конденсат• Каонный конденсат• Странные звезды• Гиперонные звезды• Гибридные звезды

Столкновения ядер атомов золота

Экспериментальные результаты, их сравнение с теорией и НЗ

1 Mev/fm3 = 1.6 1032 Pa

Вещество нейтронных звезд не похоже на вещество сталкивающихся ядер.Асимметрия (нейтронов намного больше, чем протонов)

Астрофизические измерения Масса

Радиус

Красное смещение (M/R) Температура

Момент инерции

Гравитационная и барионная массы

Предельное вращ.

В двойных, особенно с радиопульсарами.В будущем – и по линзированию.

У одиночных остывающих НЗ,у барстеров в двойных, у двойных с QPO.

По наблюдениям спектральных линий

Одиночные остывающие НЗ и некоторые двойные (прогрев коры)

По радиопульсарам (в будущем)

В системах из двух нейтронных звезд,если будут хорошие данные по звездам.

Миллисекундные пульсары

Белы

е карлики

Ней

тро

нн

ые

звез

ды

Бурые калики,Планеты

Максимальнаямасса НЗ

Минимальнаямасса НЗ

Максимальная масса БК

km 250~

1.0~ Sun

R

MM

km 129~

)5.25.1(~ Sun

R

MM

c

Массы нейтронных звезд и белых карликов

R=2GM/c2

P=ρR~3GM/c2

ω=ωKR∞=R(1-2GM/Rc2)-1/2 Lattimer & Prakash (2004)

Масса PSR J0737-3039Наиболее точные значения.

Это очень тесная система, где наблюдается два радиопульсара.

Двойной пульсар J0737-3039

Мы видим систему почти с ребра.

СтрапелькиКварковое вещество – «самодостаточно».Для его устойчивости не нужна гравитация.Т.е., могут существовать как странные звезды,Так и маленькие комочки, капельки.

Страпельки могут встречатьсяв космических лучах.Это будут частицы сбольшой массой, но с зарядомотносительно небольшим.

Странная кварковая эпидемияЕсли в недрах компактных объектовесть кварковое вещество, то послеслияний оно будет выбрасываться.Далее, страпельки могут попадатьв другие нейтронные звезды, превращая их в кварковые.

ЗаключениеЕсть много примеров того, что астрономические наблюденияоказываются незаменимым методомпроверки и изучения физических законов.

• Теории гравитации• Вещество в экстремальных условиях• Очень высокие энергии• Очень редкие процессы• Большие масштабы

Пока прогресс во многих областяхвозможен только с использованиемданных о наблюдениях небесных объектов.

Что почитать1. Астрономия и физика. «Русский Репортер» 2008

http://www.expert.ru/printissues/russian_reporter/2008/42/nebestnye_kollaydery/2. Космические лучи сверхвысоких энергий. «Вокруг света» 2007

http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3869/3. Поиск гравитационных волн. Вокруг света 2007

http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3003/4. Космология. Вокруг света 2006

http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/2557/5. Темная материя. Вокруг света

http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/cosmos/621/6. Нейтронные звезды. Элементы.ру

http://elementy.ru/lib/4306557. Магнитары. Элементы.ру

http://elementy.ru/lib/25574