Общая теория относительности и космомикрофизика
Отчет за 1999 год

Космомикрофизика - новая наука, изучающая фундаментальную взаимосвязь микро- и макро-мира, соответствие фундаментальных микро- и макроскопических параметров, вытекающее из этой взаимосвязи, и полноту системы ее комплексной микрофизической, астрономической и космологической проверки. Ее появление - закономерный этап развития астрономии и космологии, современные представления которых связывают целый ряд фундаментальных положений с физическими законами, процессами и явлениями, предсказываемыми в теории элементарных частиц, но не проверенными экспериментально, а возможно и недоступными прямой лабораторной проверке, и требующими, как следствие, астрономических методов исследования. При этом космомикрофизика не только выявляет физические основания современной космологии, но и дает возможности их достаточно надежной проверки, открывая новые количественно определенные связи, охватывающие практически все основные направления астрономии, проливающие новый свет на ее старые проблемы и выделяющие новые аспекты в традиционных астрономических исследованиях. Необходимость объединения гравитации, теории элементарных частиц и построения физически самосогласованного описания, в котором механизмы инфляции, бариосинтеза и природы скрытой массы вытекают из одной и той же теории, требует рассмотрения обобщения модели нарушенной горизонтальной симметрии поколений, разработанной ранее в рамках проекта "Космомикрофизики", в теории суперструн. Оказалось, что горизонтальная симметрия и предложенный ранее метод самосогласованного изучения эволюции Вселенной представляет собой важнейший критерий для выбора определенного типа физического вакуума при редукции моделей суперструн к группе симметрии моделей великого объединения. С целью сужения вариантов такого выбора для феноменологии суперструн сформулированы основные космомикрофизические критерии, которым должны удовлетворять параметры (энергетические масштабы и константы взаимодействия) моделей суперструн с горизонтальной симметрией, прямое измерение которых, недоступно на действующих и планируемых ускорителях (М.Ю. Хлопов и др.). С другой стороны, показано, что количественное определение параметров таких моделей может быть получено на основе исследования влияния "сверхранних" горизонтальных фазовых переходов на процессы формирования первичных черных дыр в ранней Вселенной и постинфляционного разогрева, структуры распределения конденсата аксионного поля в ранней Вселенной, а также изучения влияния массивных нейтрино и аксионов на процессы эволюции астрофизических объектов (звезд главной последовательности, сверхновых и т.д.). Космомикрофизический анализ позволил зафиксировать основные количественные характеристики частиц скрытой массы в модели горизонтального объединения, а также, при определенных условиях, сделать выбор представлений горизонтальных скалярных полей в механизме нарушения горизонтальной симметрии поколений (М.Ю. Хлопов, А.С. Сахаров (Космион) [70]).

Комплексный подход к исследованию фундаментальной взаимосвязи микро- и макро-мира неизбежно требует развитие и всестороннюю проверку основополагающих представлений космологии и теории эволюции Вселенной. Наиболее важными и актуальными проблемами в этой области являются определение состава и свойств темной материи во Вселенной, включая лямбда- член ("космологическую постоянную"), спектра пространственных неоднородностей во Вселенной (адиабатических возмущений и гравитационных волн), а также более точное определение стандартных космологических параметров, включая плотность барионов во Вселенной. Наиболее замечательным наблюдательным открытием в космологии в последние годы было свидетельство в пользу существования положительного лямбда-члена (особый вид гравитационно нескучивающейся темной материи с большим отрицательным давлением) на основании определения фотометрического расстояния сверхновых звезд с большими красными смещениями, полученного независимо двумя международными группами астрономов, а также с помощью других космологических тестов. С теоретической точки зрения, лямбда-член не обязан быть строго постоянным, а может медленно меняться в ходе расширения Вселенной. Поэтому существующая теория космологических моделей с постоянным лямбда-членом ("космологической постоянной") должна быть обобщена на случай переменного лямбда-члена. Для этого была использована эмпирическая модель, заимствованная из теории де- ситтеровской (инфляционной) стадии в ранней Вселенной, в которой такой вид материи описывается как некоторое скалярное поле (лямбда-поле) с некоторым феноменологическим потенциалом взаимодействия, который должен быть определен из наблюдательных данных. Была точно решена обратная космологическая динамическая задача об определении скорости космологического расширения как функции красного смещения и об определении необходимой для этого формы потенциала лямбда-поля, по измеренным на опыте зависимостям от красного смещения таких величин как фотометрическое расстояние далеких объектов и событий (в частности, вспышек сверхновых), угловой размер объектов, число богатых эйбелловских скоплений галактик, корреляционный радиус скучивания галактик. В частности, было определено эффективное уравнение состояния слабо переменного лямбда-члена вплоть до красных смещений порядка 1 и была найдена форма потенциала лямбда-поля, при котором его тензор энергии-импульса имитирует отрицательную пространственную кривизну в уравнениях Эйнштейна, хотя геометрически Вселенная остается пространственно плоской (А.А. Старобинский и др. (ИТФ) [71]).

Реликтовое излучение является уникальным источником информации о происхождении крупномасштабной структуры Вселенной, физической природе скрытой массы, неравновесных процессах в ранней Вселенной и допустимых параметрах инфляционной космологии. В 1999 г. в рамках работ по разделу Космомикрофизика в эксперименте на РАТАН-600 на длине волны 7,6 см группой Ю.Н. Парийского продолжено исследование анизотропии температуры реликтового излучения на масштабе Сахаровских осцилляций, что доказывает их космологическую природу и накладывает верхний предел на допустимую непрозрачность Вселенной для излучения в период рекомбинации. Показано, что оптическая толща Вселенной в этот период не должна превышать 0,1. Одним из наиболее замечательных наблюдательных следствий инфляционного сценария ранней Вселенной является возможность того, что заметная часть крупномасштабной угловой анизотропии температуры реликтового электромагнитного излучения во Вселенной, измеренной в космическом эксперименте COBE, создана не неоднородностями ньютоновского гравитационного потенциала и распределения плотности материи во Вселенной, а реликтовым фоном гравитационных волн. Однако ранее было показано, что такой эффект очень мал, если начальный Фурье-спектр неоднородностей является чисто степенным и не имеет характерных масштабов в наблюдаемой области. Важным новым шагом в этой области явилось построение жизнеспособных космологических инфляционных моделей с холодной темной материей, космологической постоянной и неплоским начальным спектром адиабатических возмущений вида ступеньки, допускающих большое количество первичных гравитационных волн (большее, чем в других известных жизнеспособных инфляционных моделях), которые могут давать вклад в наблюдаемую крупномасштабную угловую анизотропию температуры реликтового электромагнитного излучения, сравнимый с вкладом от адиабатических возмущений (или даже равный ему, но существенно не превышающий), создающих крупномасштабную структуру Вселенной (А.А. Старобинский (ИТФ), совместно с Ж. Легурже и Д. Поларским [72]. Другая инфляционная модель с неплоским начальным спектром возмущений, также приводящая к заметному количеству первичных гравитационных волн, основана на потенциале инфлатонного поля, постоянном при малых значениях поля и растущем как четвертая степень поля при больших его значениях (В.Н. Лукаш, Е.В. Михеева (АКЦ ФИАН)). Невидимый аксион является важнейшим кандидатом на роль частиц скрытой массы в современной космологии. Динамика фазовых переходов сопровождающих формирование аксионного поля в ранней Вселенной свидетельствует о том, что плотность аксионного поля должна быть распределена в современной Вселенной сильно неоднородным образом. Исследование мелкомасштабной структуры неоднородностей аксионного поля привели к важным выводам о возможной природе темных объектов в нашей галактике, которые вызывают эффект микролинзирования (М.Ю. Хлопов, А.С. Сахаров, Д.Д. Соколов (Космион) [73].

Огромное значение для исследования природы и параметров холодной темной материи рамках раздела имеет экспериментальное исследование аксионов в галактических кластерах и от далеких звезд. Исследования в этом направлении проводятся группой в Санкт-Петербурге под руководством Ю.Н. Гнедина в ГАО [74]. В частности, группой произведен спектральный анализ галактических кластеров и ночного неба на 6-метровом отечественном телескопе БTA и получены важные ограничения на массу аксионов в некоторых моделях. Также группой были проведены поляриметрические наблюдения магнитных звезд на 1-метровом отечественном телескопе в СAO и получены важные ограничения на уровень взаимодействия аксионов с излучением. Анализ проведенных в ранее на БТА спектроскопических наблюдений высокого разрешения скоплений галактик, а также спектров высокого разрешения свечения ночного неба, полученных на БТА, и сравнение с теоретическими расчетами позволило в 1999 г. исключить существование линии распада как стандартного адронного аксиона с массой >3 эВ, так и нестандартного аксиона в этом диапазоне масс с параметром 0,07 < x < 1.

Одной из основополагающих составных частей современной космологии является механизм, приводящий к возникновению избытка вещества по сравнению с антивеществом в ранней Вселенной, что должно неизбежно приводить к возникновению не нулевой барионной плотности, которая и наблюдается в настоящее время в Метагалактике. Важнейшим научными результатом, способным пролить свет на динамику фазовых переходов в ранней Вселенной и механизмы нарушения CP-четности, представляет собой предложенная группой М.Ю. Хлопова гипотеза о существовании макроскопических областей антивещества в современной Вселенной. На основе проведенных ранее исследований указаны условия, при которых средняя плотность барионов в Метагалактике отвечает избытку барионов, но в некоторых областях тот же механизм бариосинтеза приводит к избытку антибарионов. Эволюция областей с избытком антивещества приводит, в зависимости от параметров анти-доменов, либо к их полной аннигиляции в ранней Вселенной либо к их выживанию. Низкой плотности антибарионов внутри выжившего домена отвечает случай рассеянного антимира (макроскопическим областям плазмы антипротонов и позитронов, настолько разряженным, что они не участвуют в развитии гравитационной неустойчивости и могут находиться только в "пустотах" между сверхскоплениями галактик). При плотности антибарионов в домене, превышающей среднюю космологическую плотность, возможно образование плотных компактных объектов из антивещества типа первичных шаровых скоплений. Впервые, опираясь на надежно установленные экспериментальные данные в экспериментах по исследованию космических лучей, обоснована гипотеза о возможности существования шарового скопления антизвезд в нашей Галактике. Показано, что минимальная масса такого скопления определяется условием выживания домена, а максимальная допустимая суммарная масса антизвезд в Галактике ограниченна данными по гамма фону. Численный расчет для полученного интервала масс приводит к оценке потока ядер антигелия, отвечающему ожидаемой чувствительности планируемых космических экспериментов нового поколения, в частности, АМС-Альфа. Показано что взаимодействие первичного потока ядер антигелия-4 с веществом диска галактики ведет к разрушению ядер антигелия-4 и появлению значительного потока космических ядер антигелия-3 (М.Ю. Хлопов, Р.В. Коноплич и др. (Космион) [75]).

Продолжены важнейшие исследования изменения фундаментальных физических констант на космологической шкале времени (Д.А. Варшалович и др. (ФТИ им Иоффе) [12],[76]). На основе анализа спектров квазаров, полученных на 6-метровом телескопе САО РАН (S5 0014+81 и HS19), а также на 4-метровом телескопе Межамериканской Обсерватории в Сьеро-Тололо (PKS 0528-250), были определены новые, уточненные и более надежные верхние пределы на относительные скорости изменения констант постоянной тонкой структуры alpha ( < 1.9 10-14 год-1) и отношения масс электрона и протона me/mp ( < 1.5 10-14 год-1). Показано, что значения (в пределах ошибок измерений) одинаковы в областях пространства, причинно несвязанных в момент формирования спектров. Полученные пределы оказались более точными, чем те, что дают прецизионные лабораторные измерения и астрофизические измерения, полученные на Keck- телескопе.

Выполнен статистический анализ распределения абсорбционных систем C IV , наблюдаемых в спектрах квазаров, с целью выяснения пространственно- временного распределения вещества в интервале красных смещений Z=1.2-3.2. Полученные результаты свидетельствуют о неоднородном распределении вещества в указанном интервале Z. Обнаружено, что максимальная концентрация абсорбционных систем наблюдается при Zabs= 1.45, 1.62, 1.98, 2.12, 2.41, 2.61, 2.86 и не зависит от направления наблюдений. Наиболее вероятная причина такого распределения - наличие выделенных эпох в процессе космологической эволюции ( Д.А. Варшалович и др. (ФТИ им Иоффе) [2-4], [77]).

Проведенное далеко не полное обсуждение результатов междисциплинарных исследований по разделу "Космомикрофизика" показывает, что в настоящее время заложены основы системы изучения фундаментальной взаимосвязи микро- и макро-мира и физических оснований космологии, астрономии и представлений о структуре материи и Вселенной, а также предложены комплексные обоснования программ астрономических наблюдений, нацеленных на проверку космологических следствий теории микромира, фундаментальных представлений о строении и эволюции Вселенной. В 1999г. опубликована вторая часть трудов Международных конференций "Космион-96" и "Космион-97", содержащие основные научные результаты и материалы работ в области космомикрофизики. Результаты исследований в области общей теории относительности и космомикрофизики, в том числе и законченных в этом году, являлись предметом всестороннего обсуждения на 4 Международной конференции "Космология. Релятивистская астрофизика. Космомикрофизика" (Космион-99) в честь 80-летия И.М. Халатникова, проходившей в Москве 17-24 октября 1999 г. Среди других важнейших итогов работы в данном направлении нельзя не отметить сохранение отечественного научного потенциала в области исследований по космологии, релятивистской астрофизике и космомикрофизике, а также дальнейшее развитие в России научных направлений, определяющих современный уровень науки в мире.

Подробный отчет об исследованиях в области общей теории относительности и космомикрофизики в Росси и в мире содержится в трудах конференции Космион- 99, которые будут опубликованы в Gravitation Cosmology, v.6 (2000), Supplement, Cosmoparticle physics.

Список литературы
Отчеты по другим рабочим группам
Главная страница


Last updated 19.04.2000 by Yu.Shibanov