Введение
Актуальность темы
Современный этап развития космологии характеризуется тем, что вопросы, связанные с проверкой фундаментальной физики, оказываются ключевыми для решения многих проблем космологической физики (Тернер 2002а,Ь; Пиблс и Ратра 2002; Пиблс 2002). Открытие абсолютного динамического доминирования экзотических форм материи - вакуумоподобной темной энергии и небарионного холодного темного вещества, привело к такой ситуации в космологии, когда основные космологические параметры моделей определяются субстанцией неизвестной природы, а наблюдаемое вещество в обычных формах (звезды, газ, пыль) составляет лишь малую долю от полной плотности массы. Поскольку наблюдательная проверка стандартной космологической модели находится на значительно более низком уровне, чем экспериментальное обоснование стандартной модели физики элементарных частиц, то естественно потребовать в космологии обилия свидетельств правильности космологической модели. В космологии необходимо проверять не только следствия моделей, но также и саму физику, экстраполируемую на космологические масштабы.
Важность построения физически надежной космологической модели ясна например из того факта, что без выбора определенной космологической модели невозможно вычислить такие основные физические характеристики наблюдаемых внегалактических объектов (галактик, квазаров, скоплений), как их линейные размеры и светимости. Последнее, например, оказывается принципиальным при оценке светимости гамма-всплесков и определении параметров их родительских галактик, имеющих большие красные смещения (Постнов 1999; Соколов и др. 1999; Соколов 2002). Интерпретация астрофизических наблюдений оказывается существенно зависимой от выбора конкретной космологической модели. Неизбежно возникают вопросы: какой модели отдать предпочтение и насколько надежны основания выбранной модели?
В связи с этим, чрезвычайно актуальной задачей настоящего периода является разработка наблюдательных тестов релятивистской космологии, позволяющих укрепить физические основы космологических моделей, а значит сделать их более
надежными и экспериментально обоснованными. Тесты фундаментальной физики должны быть направлены на выяснение природы скрытой массы-энергии, а также природы гравитации, являющихся главными элементами современных космологических моделей.
С момента рождения релятивистской космологии (Эйнштейн 1917, де Ситтер 1917, Фридман 1922,1924, Леметр 1927) вопрос о наблюдательном тестировании моделей мира находился в центре внимания астрономов и физиков. Для этой цели в работах Хаббла и Толмена (1935), а затем и Сэндиджа (1961), была сформулирована программа выбора космологической модели по наблюдениям, где были предложены классические космологические тесты N(z), m{z), J(z), 6(z), r[z). Первые результаты этой программы (см., например, Сэндидж 1988, Йоши и Такахара 1988, Барышев 1992[13]), к сожалению, не привели к выбору определенной модели из-за недостаточности наблюдательных данных, неопределенностей в систематических ошибках и неизученных эволюционных эффектов у галактик.
В последние годы, однако, ситуация меняется коренным образом. Введение в строй крупных оптических телескопов и запуски космических обсерваторий, исследующих весь спектр электромагнитного излучения, а также завершение строительства ряда гравитационно-волновых обсерваторий привели к таким наблюдательным возможностям, на которые 10 лет назад невозможно было рассчитывать.
Настоящим триумфом применения классических космологических тестов явилось построение диаграммы Хаббла m[z) для далеких сверхновых SN 1а (Райес и др. 1998, Перлмуттер и др. 1999). Анализ этого теста привел к революционному открытию в космологии - а именно, оказалось, что динамика расширения Вселенной в современную эпоху определяется не обычной материей, а загадочной "темной энергией"(вакуум, квинтэссенция), физика которой остается неясной. Последние наблюдения дают величину для этой составляющей П^ = 0.65 ± 0.05 (Райес и др. 2001). Возможные эффекты селекции и эволюции сверхновых типа 1а требуют дальнейшего изучения (Филипенко и Райес 2000, Джха и Шмидт 2001, Лейбундгут 2001), однако уже сейчас ясно, что вакуумоподобная материя стала фундаментальной компонентой во Вселенной (Чернин 2001, Пиблс и Ратра 2002).
Недавние наблюдения анизотропии микроволнового фонового излучения (МФИ) также привели к резкому ограничению на допустимую величину полного параметра плотности п°ш = 1.02 ± 0.05 (де Бернардис и др. 2000, Джаффе и др. 2000). Так как доля светящегося барионного вещества составляет около 0.5%, то это означает, что 99.5% массы Вселенной находится в экзотических формах с неизвестной физикой. Это безусловно стимулирует разработку таких наблюдательных тестов, которые позволили бы прояснить физическую природу скрытой массы, а также укрепить основания космологических моделей, приводящих к такому радикальному выводу о доминировании темной материи во Вселенной.
Особую роль в космологических тестах играет изучение пространственного распределения галактик, так как это прямо связано с наблюдательными тестами космологического принципа и моделей образования крупномасштабной структуры Вселенной. Однако только с конца 80-х годов появились первые массовые обзоры красных смещений галактик, позволившие начать прямое наблюдательное изучение реального пространственного распределения галактик. Неожиданным оказалось открытие неоднородных структур с масштабами, достигающими сотен Мпк, что привело к необходимости распространения фрактального анализа на распределения галактик (см. Барышев и Теерикорпи 2002). Анализ наблюдательных данных совместно с численным моделированием образования крупномасштабной структуры во Вселенной также показал, что для объяснения наблюдаемых структур в рамках стандартной космологической модели необходимо привлекать доминирующую скрытую массу в небарионной форме и космологический вакуум (см. например, Новосядлый и др. 1999, Лукаш 2000, Михеева и др. 2001).
Общая теория относительности, сформулированная Эйнштейном в 1915 г. как геометрическая теория гравитации, является фундаментом релятивистской космологии. Классические тесты общей теории относительности (отклонение лучей света, смещение перигелия Меркурия, гравитационное смещение частоты) послужили важными физическими аргументами в пользу космологических моделей Фридмана. Современный подход к физике гравитационного взаимодействия включает также квантово-полевую теорию гравитации, предложенную Фейнманом в 60-е годы (Фейнман и др. 1995) и
дающую такие же предсказания для классических гравитационных эффектов, что и общая теория относительности. Теория гравитации является базисным элементом современных космологических моделей, фактически космологическая модель есть не что иное, как одно из решений уравнений гравитационного поля, поэтому разработка астрофизических наблюдательных тестов природы гравитации является актуальной задачей космологии.
В последние годы проводятся длительные наблюдения с помощью твердотельных гравитационных антенн третьего поколения и уже получены первые свидетельства возможного обнаружения гравитационных сигналов (Астоне и др. 2002). Начались наблюдения также на большой интерферометрической гравитационной антенне LIGO и скоро вступят в строй такие уникальные наземные и космические приборы, как гравитационные антенны VIRGO и LISA. Гравитационно—волновые эксперименты позволят провести наблюдательную проверку эффектов сильного гравитационного поля, где предсказания геометрической и полевой теорий расходятся. Это позволит укрепить основания теории гравитации, а значит и надежность космологических выводов, полученных на ее основе.
В списке Алана Сэндиджа, содержащего 23 ключевые проблемы астрономии на ближайшие тридцать лет, девять посвящены практической космологии (Сэндидж 1995). Сформулированные Сэндиджем актуальные проблемы космологии связаны с прямой наблюдательной проверкой исходных принципов и основных предсказаний релятивистской космологии. Решение этих проблем требует разработки космологических тестов, учитывающих современный уровень развития наблюдательной техники и физической теории, чему и посвящена настоящая работа.
Цель и задачи
Целью данной работы является разработка новых наблюдательных тестов релятивистской космологии, направленных на прямую проверку как исходных принципов космологических моделей, так и фундаментальной физики, составляющей основу космологических моделей, что необходимо для выбора физически обоснованных моделей мира. В соответствии со структурой современных моделей, наиболее
актуальными наблюдательными тестами являются тесты теории гравитации и тесты космологического принципа, на которых основаны космологические выводы об абсолютном преобладании во Вселенной экзотической вакуумоподобной материи и небарионной скрытой массы с неизвестными носителями.
Поскольку центральным элементом современных космологических моделей является теория гравитации, то необходимо дать анализ современного состояния теории и эксперимента в гравитационной физике. С учетом новых наблюдательных возможностей, появляющихся при использовании космических обсерваторий, принимающих электромагнитное излучение во всем диапазоне волн, а также развитием экспериментов в гравитационной физике и вводом в строй гравитационных антенн третьего поколения, необходимо разработать астрофизические тесты природы гравитационного взаимодействия.
Учитывая новые результаты наблюдений пространственного распределения галактик, а также открытие доминирующей темной энергии, необходимо провести анализ релятивистских моделей, включающих фрактальное распределение галактик и однородное распределение скрытой массы-энергии в форме вакуума и квинтэссенции.
Научная новизна
В работе впервые проведено разделение космологических тестов на параметрические, направленные на оценку внутренних параметров моделей, и критические, направленные на проверку оснований космологических моделей, таких как космологический принцип и теория гравитации.
Впервые полевой подход Фейнмана к физике гравитационного взаимодействия развит до уровня необходимого для разработки астрофизических тестов природы гравитации.
Впервые предложены астрофизические тесты, различающие геометрическую и полевую теории гравитации, включающие принцип эквивалентности для вращающихся тел (обобщенный эффект Нордтведта) и гравитационное излучение от двойных систем и коллапса массивных звезд (скалярное излучение).
10
Впервые получен абсолютный верхний предел на полную массу фрактально распределенной скрытой материи во Вселенной.
Впервые получена оценка фрактальной размерности пространственного распределения галактик без привлечения данных о красных смещениях для выборки галактик KLUN с известными расстояниями, измеренными методом Талли-Фишера.
Впервые получены наблюдаемые характеристики локального закона Хаббла по галактикам с расстояниями, измеренными по цефеидам, и дана интерпретация малой дисперсии скоростей в рамках двухкомпонентной модели как результата действия космологической вакуумоподобной материи.
Научная и практическая ценность
Научная ценность работы состоит в существенном расширении круга наблюдательных тестов исходных принципов космологических моделей, что необходимо для обоснования надежности космологических выводов о доминировании экзотических форм материи во Вселенной.
Расширенная формулировка космологического принципа и более широкий анализ физики гравитационного взаимодействия позволяет включить в наблюдательную проверку космологические модели более общие, чем фридмановские. В частности, разработаны тесты для фрактально-однородных моделей.
Предложенные тесты релятивистской теории гравитации необходимы для планирования новых гравитационных экспериментов, направленных на получение количественных оценок и верхних пределов возможного отклонения от принципа эквивалентности и на обнаружение новых релятивистских гравитационных эффектов, включая скалярные гравитационные волны.
Предложенные тесты крупномасштабной структуры могут быть использованы при планировании и интерпретации наблюдений распределения галактик в пространстве, их кинематики и динамики, как в локальном объеме (<10 Мпк), так и на хаббловских масштабах (1000 Мпк).
11
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
1. Разделение наблюдательных космологических тестов на параметрические и критические и вывод о необходимости разработки критических космологических тестов, направленных на проверку фундаментальной физики, лежащей в основаниях космологических моделей и, следовательно, на повышение надежности оценок физических свойств скрытой массы во Вселенной.
2. Развитие полевого подхода Фейнмана к описанию гравитации до уровня, необходимого для разработки астрофизических тестов физики гравитационного взаимодействия. Предложение в качестве критических тестов природы гравитации наблюдения обобщенного эффекта Нордтведта и детектирования скалярных гравитационных волн.
3. Анализ пространственного распределения галактик из каталога KLUN на основе расстояний, измеренных методом Талли-Фишера, и вывод о наличии фрактальной структуры без использования красных смещений галактик. Подтверждение величины фрактальной размерности Dp « 2 на масштабе до 200 h^ Мпк. Получение абсолютного верхнего предела на полную массу фрактально распределенной скрытой материи во Вселенной.
4. Вывод о малой наблюдаемой величине отклонения от линейности и дисперсии скоростей (<40 км/с) для галактик местного объема с расстояниями, измеренными по цефеидам.
5. Применение к местному объему релятивистских моделей, учитывающих фрактальное распределение вещества и однородное распределение темной энергии, и оценка основных параметров темной материи и темной энергии, необходимых для объяснения наблюдаемых характеристик локального закона Хаббла.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на ряде всесоюзных, всероссийских и международных конференций: "Релятивистская астрофизика и космология"— САО РАН, 1988; "Проблемы физики высоких энергий и теории поля"— Протвино, 1990,
12
1994; "Переменность блазаров"- Турку (Финляндия), 1991; "Гравитационные линзы во Вселенной"— Льеж (Бельгия), 1993; "Гравитационно волновой эксперимент" — Фраскати (Италия), 1993; "Актуальные проблемы внегалактической астрономии" — Пущино, 1997, 1998, 2001; Коллоквиум MAC № 174 "Малые группы галактик"-Турку (Финляндия), 1999; Международная мемориальная конференция "Гамов—99м — С.Петербург, 1999; Ассамблея COSPAR — Варшава (Польша), 2000; V Международная конференция по гравитации и астрофизике стран азиатско-тихоокеанского региона — Москва, 2001; Международная конференция "Небесная механика — 2002: результаты и перспективы"— Санкт-Петербург, 2002, а также на следующих семинарах: кафедры астрофизики СПбГУ, сектора теоретической астрофизики Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе, Специальной астрофизической обсерватории РАН, лаборатории им. Фридмана (СПб), физического факультета Римского университета (Италия), Лионской обсерватории (Франция), Обсерватории университета г.Турку (Финляндия), института Лауэ—Ланжевена (Гренобль, Франция), Парижской обсерватории (Франция).
Публикации
Основные результаты работы изложены в 28 публикациях.
Структура работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы (220 наименований) и приложения, содержит 7 рисунков и 5 таблиц. Общий объем диссертации - 210 страниц.
Содержание работы.
Во Введении отражены актуальность проблемы, цель исследования, основные положения, выносимые на защиту, показана их научная новизна и практическая значимость.
В Главе 1 дается обоснование тех конкретных задач космологии, решению которых посвящены последующие главы диссертации. Проведен анализ структуры
13
релятивистских космологических моделей и дана классификация их наблюдательных тестов. Главными элементами космологических моделей являются - космологический принцип и релятивистская теория гравитации. Дана формулировка обобщенного космологического принципа, позволяющего включить в рассмотрение модели с фрактальным распределением вещества. Рассмотрены модели Фридмана с доминированием вакуума или квинтэссенции и на их примере обсуждаются параметрические и критические наблюдательные тесты.
В Главе 2 рассмотрены астрофизические тесты природы гравитации как базисного элемента космологических моделей. Рассмотрены два подхода к описанию физики гравитационного взаимодействия - геометрическая теория гравитации Эйнштейна и полевая теория гравитации Фейнмана. Впервые полевая теория развита до уровня, необходимого для расчета астрофизических предсказаний. Проводится детальное сравнение предсказаний общей теории относительности Эйнштейна и полевой теории гравитации Фейнмана как в случае слабых, так и сильных полей. Показано, что полевая теория гравитации и общая теория относительности дают одинаковые предсказания для классических релятивистских эффектов гравитации. Сформулированы новые астрофизические тесты, дающие разные предсказания в случаях полевой и геометрической теорий и, следовательно, позволяющие различить природу гравитационного взаимодействия и получить количественные ограничения на возможные отклонения от принципа эквивалентности и на наличие скалярных гравитационных волн.
Глава 3 посвящена наблюдательным тестам космологического принципа и анализу имеющихся данных о пространственном распределении галактик на масштабах от 1 Мпк до 1000 Мпк. Для галактик каталога KLUN с расстояниями, определенными методом Талли-Фишера, проведена оценка фрактальной размерности их распределения в пространстве, независимая от их красных смещений. Показано, что Dp — 2.2 ± 0.2 вплоть до предела глубины выборки равного 200 h^ Мпк. Рассмотрено гравитационное линзирование внутри фрактальной структуры и описан метод оценки фрактальной размерности на основе анализа распределения объектов вдоль луча зрения. Получен абсолютный верхний предел на полную массу фрактально распределенного вещества.
14
В Главе 4 проведен анализ удивительных свойств локального закона Хаббла в местном объеме с радиусом R < 10 Мпк. Показано, что линейное соотношение z = HR/c начинает выполняться с расстояния R & 1 Мпк, т.е. глубоко внутри фрактального распределения галактик. При этом дисперсия скоростей галактик относительно этого линейного закона оказывается чрезвычайно малой а < 40 км/с. Для объяснения наблюдаемых свойств локального закона Хаббла применяются асимптотически однородные модели Леметра-Толмена-Бонди. Малая дисперсия скоростей объяснена в рамках двухкомпонентной модели Фридмана как результат адиабатического охлаждения возмущений на стадии доминирования вакуумоподобной материи.
В Заключении формулируются основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.
Приложение содержит список публикаций автора по теме диссертации.
15
Глава 1. Структура космологических моделей и классификация наблюдательных тестов
В последнее время неуклонно возрастает интерес к анализу оснований стандартной модели в космологии (Пиблс 2002а,Ь, Лахав 2002, Таситсиоми 2002, Примак 2002). Недавняя статья Пиблса (2002b) "От точной космологии к правильной космологии" подчеркивает тот факт, что точное измерение космологических параметров модели не гарантирует надежности космологических выводов о строении Вселенной. Построение надежной, экспериментально обоснованной модели Вселенной является делом будущего, и главной задачей на этом пути будет разработка и осуществление астрофизических наблюдательных тестов фундаментальной физики, лежащей в основании космологических моделей.
Стандартная космологическая модель строится на основе геометрической теории гравитации (ОТО) и модели холодной темной материи (Cold Dark Matter - CDM) образования структур во Вселенной. Стандартная модель неизбежно приводит к выводу о доминировании скрытой массы-энергии, находящейся в экзотической форме вакуумоподобной темной энергии (Dark Energy) и небарионной холодной темной материи (CDM), что поставило вопросы как о надежности астрофизических наблюдательных данных, из которых следует этот вывод, так и о надежности самих используемых космологических моделей. Трудности CDM моделей образования структур на масштабах галактик (Мур 2001, Примак 2002, Таситсиоми 2002) приводят к выводу о том, что главной проблемой космологии на современном этапе является проблема физической природы темной материи и, в частности, характера взаимодействия между частицами—носителями скрытой массы. Пиблс (2002b) отмечает, что оценки основных космологических параметров, полученные на основе стандартной космологической модели, из-за неопределенности в физике холодной темной материи и ее возможного взаимодействия с темной энергией являются "рискованными". Поэтому особенно актуальным становится анализ исходных принципов и основных элементов самих космологических моделей, что необходимо для построения физически обоснованной космологической модели.
16
В настоящей главе на основе работ [2, 13, 15, 16, 22] дается анализ структуры современных космологических моделей и классификация наблюдательных тестов, а также показана необходимость разработки новых тестов космологических моделей. В этой главе дано обоснование выбора тех конкретных задач космологии, решению которых посвящены главы 2, 3 и 4 настоящей диссертации.
1.1. Логика и основные элементы космологических моделей
Развитие космологии определяется с одной стороны ростом наблюдательных данных и с другой стороны развитием фундаментальных физических теорий. Интерпретация астрофизических наблюдений существенно опирается на космологические модели, и поэтому космологические выводы о наблюдаемых свойствах Вселенной всегда подразумевают выполненными ряд исходных предположений модели. Анализ структуры космологических моделей помогает выявить эти исходные предположения и рассмотреть их обоснованность со стороны как теории, так и эксперимента.
1.1.1. Структура физических моделей мира
Главными элементами релятивистских космологических моделей являются -исходные космологические принципы, фундаментальные физические теории и космологические наблюдательные данные, "исправленные" от искажений эффектами селекции.
Исходные космологические принципы. Всякая космологическая модель начинается с формулировки космологических принципов (гипотез), которые считаются справедливыми для всей бесконечной Вселенной, хотя наблюдениям доступна только конечная ее часть. Многие принципы в космологии граничат с философией познания и молчаливо предполагаются выполненными, как например то, что Вселенная познаваема и, что законы физики одинаковы для всей Вселенной и не изменяются со временем. В современной космологии космологический принцип понимается как
17 |
