Темная материя в Солнечной системе Кауц В.Л. Астрокосмический Центр ФИАН, Москва

Темная материя в Солнечной
системе
Кауц В.Л.
Астрокосмический Центр ФИАН, Москва
С.-Петербург, 30 сентября 2009
Темная материя
- свойства
- галактическое распределение
- увеличение плотности в Солнечной системе
барионное сжатие
гравитационно-столкновительный механизм
гравитационный захват
фокусировка частиц в гравитационном поле
Гравитационные аномалии в Солнечной системе
- аномалия Пионеров
- «flyby» аномалия
- увеличение Астрономической Единицы
Заключение
Барионы ~ 5%
Темная материя ~ 25%
Темная энергия ~ 75%
Темная материя
кривые вращения
вириальные теоремы для кластеров галактик
гравитационное линзирование
образование крупномасштабной структуры (CMB)
физика элементарных частиц
Свойства темной материи
бесстолкновительная
самоаннигиляция (?) – проблема каспов
(v) ~ 3 10
W~
2
26
3 1
cm s
продукты аннигиляции,
нагрев планет (A.Abbas&S.Abbas,1996;
Mack et.al.,2007)
модель Солнца
WIMP, нейтралино, аксионы, гравитино, монополи, PBH,
???
Детектирование темной материи
прямое
W ~ nv
эффект зима-лето
DAMA/Libra – годовая модуляция
гравитационное
Галактическое распределение
темной материи в окрестности
Солнечной Системы
0
Гравитационный потенциал
 D. M . 
темной материи
2
r
r0
Барионы
 r
1  
 r0 
1
1
 D.M . ~ ........ 3
r
r
 D.M . (isothermal sphere) ~
1
r2
Окрестность Солнечной Системы
6
 ~ 10
1 M 
star _ disk  10
3
pc
 10
 23
g
cm3
V  220
km
s
M
GeV
 24 g
 D.M . ~ star _ halo  10

10

0
.
3
pc3
cm3
cm3
  V  300

f  (V ) ~ e
km
s
V2
2
2
km
  220
s
km
V  220
s
Барионное сжатие во время
формирования Солнечной системы
tэволюции ~ 10 лет
9
tпролета ~ 10 лет
3
 t эволюции  t пролета
Гравитационно –
столкновительный захват
V∞D.M. ~ 300 km/s
Vsunpar. ~ 600 km/s
Солнце
VsunD.M. ~ 660 km/s
Связанные орбиты => потеря 10% скорости
Потери энергии при однократном
пролете
 1016 GeV 
 E 

~ 0.56  


 Mx 
Электрический:  E  kin


Магнитный:
 1016 GeV 
 E 

  ~ 0.2  

Mx
 E  kin


Гравитационно –
столкновительный захват
Гало:
несколько радиусов Солнца
(1 а.е. = 200 радиусов Солнца)

~5
o
Резонансная подстройка: (массы частиц, типы
взаимодействий, сечения)
Гравитационный захват
Условие захвата:
Орбитальная скорость Юпитера: 13 км/сек
Солнце
Юпитер

km
km
V D.M .  2  13
 13
s
s
Сечение захвата: σ = πR2*
V
2
Jupiter
2
~G
M Jupiter
R*
=> R* = 2RO
!!! Обратное рассеяние существенно, нет накопительного
эффекта
Гравитационно –
столкновительный захват
+
гравитационный захват
Солнце
(Damour&Krauss,1999)
Юпитер
Касание Солнца, торможение
Последующая эволюция орбиты


U(r) ~ r2 + 1/r
Возмущения планетами
Гравитационная фокусировка
частиц
n∞
n(r)
n
 const
V
(изотропия)
n
 const
V
 d
n   n( r )
4
(анизотропия)
ndVf (V )
если f (V ) dV
V
2
V (r )
2
2
 V par (r )  V ()
V par (r ) _??_ V ()
Солнце:
Vsunpar. ~ 600 km/s
X par (r ) 
Солнце:
0  X par (r )  2
V∞D.M. ~ 300 km/s
V par (r )
V ( )
1. малые скорости

f  (V ) ~ e
V2
2
Vpar (r )
km
X par (r ) 
  220

s
 2 X par
X 2par
n(r )  n 
e
1  erf X par
 

X par (r ) >>1






 2

1
1


n( r )  n
X par 


...
3
 


X
2

X
par
par


2. сравнимые скорости

f  (V ) ~ e
 
(V V ) 2
2
km
  220
s
V  220
km
s
X par (r ) 
n
 
 V  
n (r ) 
X par 1  erf   
2
V 
  
n V par
n (r ) ~
2 V
Vpar (r )

Гравитационная фокусировка частиц
n (r ) ~ Vpar
поверхность Солнца:
внутри Солнца:
1
~
r
n (r )
~2
n
km
V par (r  0)  1400
s
=>
n (r )
~5
n
3. большие скорости - каустика
n( z,  )  n
n∞
n(r)
2az

GM
a 2
V
Солнце: n( z ,  )  2n
ρ
z
R z

cusp : W ~ n ~   d ~ ln 
2
2
Солнце
~600
Земля
nEarth
~ 1 .1
n
Sikivie et.al.,2002
Каустика в линии Гелия HeI (λ = 584Ǻ)
Температура и скорость межзвездной
среды была измерена (Курт В.Г. и др.)
Нет фокусировки планетами
На орбитах
Vpar  2  Vorbital
Vorbital_Earth = 30 km/s
Vorbital_Jupiter = 13 km/s
Гало вокруг планет
Vpar_Earth = 11.2 km/s
Vpar_Jupiter = 61 km/s
Anderson et al, Phys.Rev.D, 2002
a  (8.74  1.33) 108 cm / s 2
R ~ 20  70 A.U .
1. направление
(Земля, Солнце, ось вращения, направление
движения)
2.
a ~ cH
возможные объяснения:
внутренние причины; космология; MOND;
гравитирующие объекты; пыль; темная
материя; ???
Два плутониевых генератора
Остывание
(Turyshev et all, 2008; Bertolami et all, 2008)
Flyby аномалия
Темная материя ?
Adler, 2008
свойства темной материи
околоземное гало
большое усиление
Астрономическая Единица
1( A.U .)  1.495978706960 1011  0.1(m)( Pitjeva,2005)
( A.U .)  15  4(m / centure)( Kra sin sky, Brumberg ,2004)
??? приливное взаимодействие (Miura et all, 2009)
Небесная механика в Солнечной системе
 ~ 10  10
4
5
Khriplovich&Pitjeva,2006;
Khriplovich,2007;
Iorio,2007;Frere et.al.,2008
Future missions
RadioAstron – Space Interferometer, 2009 yr, ASC
LPI RAS – flyby anomaly, Earth-Moon halo
SAGAS – Search for Anomalous Gravitation using
Atomic Sensors, ESA 2015-2025 Call for Proposals,
2020-2030 yr, t~15-20yr, payload – accelerometer,
optical clock
Гравитационное проявление темной
материи в Солнечной Системе
n ~ 10 n∞
-19 см/сек2
a
~10
D.M.
Луна
Земля
Солнце
a(РадиоАстрон) ~ 10-6 см/сек2
70 а.е.
R
aD.M.~3*10-15 см/сек2
a(Пионер) ~ 8*10-8 см/сек2
Проявление гало
Пример Солнца: (Spergel,Press,Krauss,Freese 1985)
M D.M. = 5 – 60 GeV σ ≈ 4 10 -36 см 2
Обилие 10 -12 – существенно !!!
Выводы
Существует ряд механизмов локального
увеличения плотности частиц темной материи
в Солнечной системе.
Коэффициент усиления порядка нескольких
единиц.
Это безусловно важно для регистрации
сигналов в детекторах частиц темной
материи, но пока недостаточно для прямого
детектирования темной материи по ее
гравитационному проявлению.