Астрономия и фундаментальная физика

1. Астрономия и фундаментальная физика Сергей Попов (ГАИШ МГУ)

2. 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.

3. 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

4. Альтернативные теории гравитации Постоянно 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.

5. Тесты теорий гравитации НЗ в двойных ЧД в двойных Кривизна Gravity Probe B АЯГ Двойной PSR Луна Меркурий Гравпотенциал Необходимы проверки в разных режимах.Наиболее сильные тесты связаны снаблюдением поведения материивблизи нейтронных звезд и черных дыр.

6. 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/

7. Линия в аккреционном диске

8. 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).

9. 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.

10. Состав вселенной Неизвестные частицы Нейтралино? Аксионы? Неизвестные поля или вакуум

11. Темное вещество Сталкивающиеся скопления галактик1E 0657-56 (Bullet cluster)

12. Столкновение скоплений галактик

13. Прямые поиски темной материи в лабораториях на Земле Эксперимент DAMA/LIBRA

14. Поиски следов аннигиляции Избыток позитронов Приборы Pamela

15. GLAST/Fermi 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. Логотип проекта GLAST, который переименован в честь Энрико Ферми.

16. Поиск следов аннигиляции - 2 Поиск гамма-квантов, образующихсяв результате аннигиляции частицтемной материи в нашей Галактике. Поток будет больше от центральнойчасти нашего звездного острова.

17. 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 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)

18. 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 источникабудет расплываться, т.к. импульс сформированфотонами с разной энергией.Наиболее перспективно наблюдать гамма-источники. E

19. Фотоны и квантовая пена Изменение скорости распространения электро-магнитных волнпроисходит из-за взаимодействия фотонов с квантовой пеной. По наблюдениям даетсяограничение на EQG. Необходимо наблюдатьдалекие источники навозможно больших энергиях.

20. Поиски Пока наблюдения дают лишь верхние пределы. Для поисков используются наземныеи космические гамма-телескопы. Наблюдают блазары и гамма-всплески.

21. Нейтринная астрофизика Нейтрино от Солнца Нейтрино от взрывов сверхновых

22. Наблюдения нейтрино Эксперимент AMANDA в Антарктиде

23. 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

24. Детекторы гравитационных волн Эксперимент LIGO Первый детектор Вебера

25. Космические лучи высоких энергий Из космоса регулярноприлетают частицывысоких энергий. Это еще один каналинформации о вселенной, И еще одна загадка.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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=10-10частиц/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.

30. ГЗК завал в спектре Взаимодействие КЛ с фотонами реликтового излучения и ИК фотонами. Грейзен-Зацепин-Кузьмин. 60-е гг.

31. Вопрос о происхождении • Происхождение космических лучей сверхвысоких энергий (и даже их состав)до сих пор остается неизвестным. • Ускорение • 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.

32. Обсерватория им. Оже http://www.auger.org

33. Задачи для Оже • Спектр • Состав (протоны, фотоны, ядра) • Направления прихода. Анизотропия? Источники? Два типа детекторов: флуоресцентные и черенковские Около 10% событий регистрируется сразу двумя методами (флуоресцентные работают только ясными безлунными ночами).

34. Черенковские детекторы

35. Флуоресцентные детекторы

36. Космические проекты Возможно, что следующим шагом в изучении космических лучей сверхвысоких энергий будет запуск специальных космических аппаратов.

37. 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)

38. 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

39. Процессы в сильном поле В сильном магнитном поле могутэффективно идти процессы, которыев слабых полях маловероятны или невозможны. «Сильное» поле – это более ~4 1013Гс. Фотон может распадаться на два. Кроме того, даже фотоны с низкой энергиеймогут порождать электрон-позитронные пары.

40. Фазовая диаграмма Разные участки фазовойдиаграммы можно исследоватьс помощью ускорителей, с помощью расчетов на суперкомпьютерах, и с помощьюнаблюдений компактных объектов. Все эти виды исследования не дублируют, а дополняют друг друга.

41. Нейтронные звезды Радиус 10 км Масса 1-2 солнечной Плотность порядка ядерной Сильные магнитные поля

42. Нейтронные звезды «с разных точек зрения» • Обычные нейтронные звезды • Пионный конденсат • Каонный конденсат • Странные звезды • Гиперонные звезды • Гибридные звезды

43. Столкновения ядер атомов золота

44. 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

45. Астрофизические измерения В двойных, особенно с радиопульсарами.В будущем – и по линзированию. • Масса • Радиус • Красное смещение (M/R) • Температура • Момент инерции • Гравитационная и барионная массы • Предельное вращ. 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

46. Массы нейтронных звезд и белых карликов Максимальнаямасса НЗ Бурые калики,Планеты Нейтронные звезды Белые карлики Максимальная масса БК Минимальнаямасса НЗ c

47. R=2GM/c2 P=ρ R~3GM/c2 R∞=R(1-2GM/Rc2)-1/2 ω=ωK Lattimer & Prakash (2004)

48. Масса PSR J0737-3039 Наиболее точные значения. Это очень тесная система, где наблюдается два радиопульсара.

49. Двойной пульсар J0737-3039 Мы видим систему почти с ребра.

50. Страпельки Кварковое 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.