Астрономия и фундаментальная физика

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 данные
астрономии не столь «прямые»,
как данные лабораторных
экспериментов, приходится
с этим мириться, ибо многие
параметры пока недостижимы
на 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 гравитации
Постоянно продолжаются работы
по разработке более фундаментальных
теорий гравитации, чем ОТО.
Однако важно оставаться в контакте
с экспериментом и наблюдениями.
В солнечной системе возможны тесты
только в пределе «слабого поля».
Сильные поля существуют в
непосредственной окрестности
нейтронных звезд и черных дыр.
Пока все ОТО проходит все проверки.
Одни из наиболее точных тестов связаны
с наблюдением двойных радиопульсаров
и с наблюдениями в Солнечной системе.
Тесты теорий гравитации
НЗ в двойных
Кривизна
ЧД в двойных
Gravity Probe B
АЯГ
Двойной PSR
Луна
Меркурий
Гравпотенциал
Необходимы проверки в разных режимах.
Наиболее сильные тесты связаны с
наблюдением поведения материи
вблизи нейтронных звезд и черных дыр.
Диски вокруг черных дыр:
взгляд со стороны
Температура диска
Диск при наблюдении издалека
Слева: не вращающаяся ЧД
Справа: вращающаяся ЧД
http://web.pd.astro.it/calvani/
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, что
ЧД быстро вращается
(диск подходит ближе
шести радиусов
Шварцшильда).
Многомерие.
Некоторые современные теории
оперируют более чем тремя
пространственными измерениями.
Обнаружение дополнительных
измерений возможно или на малых
масштабах, или на очень больших.
В последнем случае речь идет
об астрономических наблюдениях.
Состав вселенной
Неизвестные частицы
Нейтралино? Аксионы?
Неизвестные поля или вакуум
Темное вещество
Сталкивающиеся скопления галактик
1E 0657-56 (Bullet cluster)
Столкновение скоплений галактик
Прямые поиски темной материи в
лабораториях на Земле
Эксперимент DAMA/LIBRA
Поиски следов аннигиляции
Приборы Pamela
Избыток позитронов
GLAST/Fermi
Логотип проекта GLAST,
который переименован в честь
Энрико Ферми.
В 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.
Поиск следов аннигиляции - 2
Поиск гамма-квантов, образующихся
в результате аннигиляции частиц
темной материи в нашей Галактике.
Поток будет больше от центральной
части нашего звездного острова.
Темная энергия
Целый 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 будут
созданы 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
Соответственно, импульс от далекого источника
будет расплываться, т.к. импульс сформирован
фотонами с разной энергией.
Наиболее перспективно наблюдать гамма-источники.
E
Фотоны и квантовая пена
Изменение скорости распространения электро-магнитных волн
происходит из-за взаимодействия фотонов с квантовой пеной.
По наблюдениям дается
ограничение на EQG.
Необходимо наблюдать
далекие источники на
возможно больших энергиях.
Поиски
Пока наблюдения дают лишь верхние пределы.
Для поисков используются наземные
и 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
Предсказаны Общей теорией относительности.
Возникают при слиянии нейтронных звезд и
черных дыр.
А также при вращении нейтронных звезд и
при эволюции тесных двойных звезд.
(подробнее см. «Вокруг света» N2 2007)
www.vokrugsveta.ru
Детекторы гравитационных волн
Первый детектор
Вебера
Эксперимент LIGO
Космические лучи высоких энергий
Из космоса регулярно
прилетают частицы
высоких энергий.
Это еще один канал
информации 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 бедных
До 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 лучей
На 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 Земли
практически никогда не достигают
(лишь около 1%).
Вторичные частицы: на 70% мюоны
и 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 происхождении
Происхождение космических лучей сверхвысоких энергий (и даже их состав)
до сих пор остается неизвестным.
1. Ускорение
2. Распад сверхмассивных частиц
Если распад частиц, то интересна их связь с темных веществом.
Если ускорение, то интересно, что же это за источники.
Для решения этих вопросов строят новые крупные обсерватории.
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 черенковские
Около 10% событий регистрируется сразу двумя методами
(флуоресцентные работают только ясными безлунными ночами).
Черенковские детекторы
Флуоресцентные детекторы
Космические проекты
Возможно, что следующим шагом
в изучении космических лучей
сверхвысоких энергий будет
запуск 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 могут
эффективно идти процессы, которые
в слабых полях маловероятны или невозможны.
«Сильное» поле – это более ~4 1013 Гс.
Фотон может распадаться на два.
Кроме того, даже фотоны с низкой энергией
могут порождать электрон-позитронные пары.
Фазовая диаграмма
Разные участки фазовой
диаграммы можно исследовать
с помощью ускорителей,
с помощью расчетов на
суперкомпьютерах, и с помощью
наблюдений компактных объектов.
Все эти виды исследования
не дублируют, а дополняют
друг друга.
Нейтронные звезды
Радиус 10 км
Масса 1-2 солнечной
Плотность порядка ядерной
Сильные 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
Вещество нейтронных звезд не похоже на вещество сталкивающихся ядер.
Асимметрия (нейтронов намного больше, чем протонов)
1 Mev/fm3 = 1.6 1032 Pa
Астрофизические измерения
 Масса
В двойных, особенно с радиопульсарами.
В будущем – и по линзированию.
 Радиус
У одиночных остывающих НЗ,
у барстеров в двойных, у двойных с QPO.
 Красное смещение
(M/R)
 Температура
По наблюдениям спектральных линий
 Момент инерции
 Гравитационная
и барионная массы
 Предельное вращ.
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
Массы нейтронных звезд и белых
карликов
Бурые калики,
Планеты
M ~ (1.5  2.5) M Sun
R ~ 9  12 km
Максимальная
масса БК
Максимальная
масса НЗ
Минимальная
масса НЗ
M ~ 0.1 M Sun
c
R ~ 250 km
R=2GM/c2
P=ρ
R~3GM/c2
R∞=R(1-2GM/Rc2)-1/2
Lattimer & Prakash (2004)
ω=ωK
Масса PSR J0737-3039
Наиболее точные значения.
Это очень тесная система,
где наблюдается два радиопульсара.
Двойной пульсар J0737-3039
Мы видим систему почти с ребра.
Страпельки
Кварковое вещество – «самодостаточно».
Для его устойчивости не нужна гравитация.
Т.е., могут существовать как странные звезды,
Так и маленькие комочки, капельки.
Страпельки могут встречаться
в космических лучах.
Это будут частицы с
большой массой, но с зарядом
относительно небольшим.
Странная кварковая эпидемия
Если в недрах компактных объектов
есть кварковое вещество, то после
слияний оно будет выбрасываться.
Далее, страпельки могут попадать
в другие нейтронные звезды,
превращая их в кварковые.
Заключение
Есть много примеров того,
что астрономические наблюдения
оказываются незаменимым методом
проверки и изучения физических законов.
• Теории гравитации
• Вещество в экстремальных условиях
• Очень высокие энергии
• Очень редкие процессы
• Большие масштабы
Пока прогресс во многих областях
возможен только с использованием
данных о наблюдениях небесных объектов.
Что почитать
1. 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/430655
7. Магнитары. Элементы.ру
http://elementy.ru/lib/25574