Искажения спектра реликтового излучения при рекомбинации

Искажение спектра реликтового излучения
при рекомбинации первичной плазмы
в ранней Вселенной.
В.Г. Курт, Н.Н. Шахворостова
Астрокосмический центр ФИАН
Конференция, посвященная 100-летию
со дня рождения Я.Б. Зельдовича
20-21 марта 2014 года, ГАИШ МГУ
Реликтовое излучение
(Cosmic Microwave Background)
Пространственные флуктуации температуры – Planck (Planck collaboration, 2013)
Спектр
пространственной
анизотропии
Вариации температуры
T = ± 0.00002 K
Спектр реликтового излучения
COBE/FIRAS
Mather et al. (1994), Fixsen et al. (1996).
Планковский спектр РИ
⇓
ТДР в прошлом
Вброс доп. энергии
в поле излучения
⇓
Отклонение от ТДР
⇓
Детали в спектре РИ
⇓
z и механизм
энерговыделения
T = T0(1 + z)
nmax = 160 ГГц
Раннее энерговыделение
во Вселенной
Я.Б. Зельдович, Р.А. Сюняев (1969, 1970)
Я.Б. Зельдович, И.Д. Новиков “Строение и эволюция Вселенной” (1975)
До z ~ 107 двойное комптоновское рассеяние –> замывание
любых искажений
105 < z < 107 комптоновское рассеяние –> кинетическое равновесие
между плазмой и фотонами –> распределение Бозе-Эйнштейна
с химическим потенциалом m
103 < z < 105 комптоновское рассеяние не устанавливает полного
кинетического равновесия –> y-искажения
Спектр реликтового излучения
COBE/FIRAS
Mather et al. (1994), Fixsen et al. (1996).
Спектральные искажения:
1. -искажения ( || < 9·10-5)
Источники энерговыделения 105 < z < 107,
При hn << kT (Р-Д часть спектра) In ~ n3
0 = 160 ГГц
2. y-искажения (y < 1.5·10-5)
Источники энерговыделения 103 < z < 105,
уменьшение плотности фотонов низких частот,
возрастание числа высокочастотных фотонов
3. Спектральные искажения (~10-8)
Рекомбинация вещества,
сверхравновесные фотоны, 900 < z < 7000,
возрастание интенсивности РИ в
определенных интервалах частот
4. Комптоновские искажения
и эффект Сюняева-Зельдовича
Рассеяние на электронах в эпоху
реионизации, z < 103
Рассеяние на горячем газе (T~107K)
в скоплениях галактик
Сдвиг длинноволновых фотонов к
коротким волнам
Рекомбинация первичной плазмы
Теория рекомбинации первичной плазмы,
взаимодействие вещества и излучения
в ранней Вселенной (основополагающие идеи):
Дальнейшая детализация теории
рекомбинации первичной плазмы
с учетом разнообразных эффектов:
• Я.Б. Зельдович, В.Г. Курт, Р.А. Сюняев (1968)
• Я.Б. Зельдович и Р.А. Сюняев (1969, 1970)
• П.Дж.Е. Пиблс (1968)
десятки работ! (90-е – 2000-е годы)
• С. Грачев, В. Дубрович (1991, 2005)
• S. Seager, D. Sasselov, D. Scott (1999)
• М. Бургин и др. (2003, 2006)
• J. Chluba, R. Sunyaev (2006, ..., 2013)
• W. Wong et al. (2006, 2008)
• Е. Холупенко и др. (2006, ..., 2011)
• и другие...
Современные численные коды,
воспроизводящие кинетику рекомбинации
первичной водородно-гелиевой плазмы:
Recfast, RICO, RecSparse, HyRec,
CosmoRec, atlant, SPDCBR
Рекомбинация первичной плазмы

Вселенная однородна, изотропна,
900 < z < 7000
в целом нейтральна.

Вселенная расширяется с хорошо
известной скоростью.

Барионная материя: H, He,
примесь Li, D (менее 1%).

Материя погружена в интенсивное
однородное поле излучения, имеющее
планковский спектр.

Количество фотонов в 1.6·109 раз
больше, чем барионов.
2500 K < T < 20000 K
Trad = Te = Ti
Ионизационная история Вселенной
Время
900 < z < 7000
30 < z < 900
10 < z < 20
Кинетика рекомбинации водорода
Время
Затягивание рекомбинации водорода
Время
Сечение поглощения фотонов лаймановской
серии водорода (и континуума) велико
Поглощение нейтральным водородом
квантов с энергией E > 10.2 эВ и последующее
дробление на более низкоэнергичные кванты
Избыток La-фотонов
В конечном итоге концентрация
нейтрального водорода необратимо
увеличивается за счет двух каналов:
• двухфотонных переходов 2s --> 1s
• диффузии La-квантов по частоте в
результате многократных рассеяний в
расширяющейся среде (Вселенной).
Необратимая рекомбинация водорода:
два канала
2
3S
3P
2S
H

2P
L
1S
3D
L
красное
смещение
• Двухфотонные переходы 2s ↔ 1s
• Выход L-фотонов из профиля линии
в результате красного смещения
необратимая
рекомбинация
57% водорода после z ~ 1400 рекомбинировало через двухфотонный канал
Рекомбинация водорода:
необратимые переходы
Совокупность избыточных по
отношению к равновесному
фону излучения фотонов
Космологический рекомбинационный
спектр водорода (и гелия)
Ионизационная история и
излучение рекомбинирующей плазмы
H
He+
He
J. Chluba, R. Sunyaev (2009)
Рекомбинационные спектры
водорода и гелия
J. Rubino-Martin, J. Chluba, R. Sunyaev (2008)
Рекомбинационный спектр
водорода
В. Дубрович, Н. Шахворостова (2004)
Линия La и двухфотонный континуум
J. Rubino-Martin et al. (2006)
Относительные искажения РИ
Линии H, H, P
Что это даст?
Прямое наблюдательное свидетельство фазы рекомбинации плазмы
Инструмент исследования Вселенной в эпоху рекомбинации
(детали рекомбинационного спектра)
Уточнение некоторых космологических параметров:
• Температура (монопольная составляющая)
• Красное смещение эпохи рекомбинации
• Отношение плотностей барионов и фотонов
• Концентрация первичного гелия
Возможность “заглянуть” за поверхность последнего рассеяния,
поскольку пик плотности излученных фотонов приходится на
красное смещение z ~ 1300 — 1400 (для водорода),
z ~ 1800 — 1900 (для HeI) и z ~ 6000 (для HeII)
Как измерить?
Для наблюдений можно выбрать любой участок неба
(с минимальным вкладом различных космических источников)
Сканирование спектра РИ по частоте в широком диапазоне
Поиск не абсолютного сигнала, а разности I - B, т.е. “модулированного”
сигнала с амлитудой I ~ 10 – 30 нК и / ~ 0.1
Отсутствие поляризации искомого сигнала
Модуляционный фурье-спектрометр для диапазона 100 — 1000 ГГц
(от 3 до 300 мкм) с разрешением R = /D ~ 10
Фоновое излучение
R. Henry (1999)
Спасибо за внимание!