Название:Наблюдательная космология: эпоха первичного нуклеосинтеза и эпоха формирования и эволюции галактик
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:02-706 - Космология и микрофизика
Ключевые слова:Физика ранней Вселенной, космологический первичный нуклеосинтез, спектроскопия квазаров, межзвездная и межгалактическая среда, активные ядра галактик
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Иванчик,АВ
Подразделения:
Код проекта:18-12-00301
Аннотация Современная космология – активно развивающаяся область астрофизики. Огромное количество данных, полученных в последние десятилетия, превратили космологию из науки теоретической в науку, подкрепляемую точными астрономическими наблюдениями. Сегодня многие космологические параметры уже определяются с процентной точностью, все четче вырисовывая контуры стандартной космологической модели Большого Взрыва. При этом остаются как нерешенные проблемы (такие как проблема темной материи и темной энергии), так и возможность использовать прецизионные космологические наблюдения для решения ряда конкретных задач с целью более четкого понимания строения и эволюции Вселенной. В настоящее время активно развиваются методы наблюдательной космологии, которые позволяют изучать различные объекты во Вселенной на больших космологических расстояниях. При этом, как показывают численные расчеты и последние наблюдения, на космологических красных смещениях z=1-8 происходит бурная эволюция разнообразных объектов, состоящих из барионного вещества: это межгалактическое и межзвёздное вещество, галактики и их активные ядра. Эти объекты тесно взаимосвязаны между собой посредством ряда физических процессов. Например, формирование активных ядер галактик связанно с аккрецией межгалактического и межзвёздного вещества на быстрорастущие сверхмассивные чёрные дыры, находящиеся в центрах ранних галактик. Известно, что эта активность имела выраженный максимум в эпоху, соответствующую красным смещениям z~2-4. Наблюдательным проявлением активности ядер галактик является феномен квазаров, светимость которых может на несколько порядков превосходить светимость всех звёзд родительской галактики. Высокая светимость квазаров предоставляет нам уникальную возможность для изучения межгалактического и межзвёздного вещества ранней Вселенной, попадающего на луч зрения между квазаром и наблюдателем и формирующего линии поглощения в спектрах квазаров. В данный момент существуют и продолжают развиваться методы для эффективного исследования абсорбционных систем в спектрах квазаров. Значительная часть исследований в представленном проекте основана на изучении спектров квазаров и направлена на извлечение информации о процессах, происходящих в межгалактическом и межзвёздном веществе на красных смещениях z~1-5. Проект направлен на решение ряда актуальных проблем современной космологии относящимся к двум различным космологическим эпохам: первичного нуклеосинтеза (z~10^9) и формирования и эволюции галактик (z~1-5). При этом, имеется естественная связь этих эпох. Галактики формируются за счет аккреции барионного вещества, изотопный состав которого формируется в процессах первичного нуклеосинтеза. Однако в ходе звёздной эволюции межзвёздное и межгалактическое вещество частично обогащается тяжёлыми элементами. Химический состав вещества задает физические условия в межгалактическом и межзвёздном веществе и определяет функцию масс звёзд, формирующихся в галактиках. Конкретно планируется выполнить следующие исследования: 1. Процессы первичного нуклеосинтеза. Построение спектра нетепловых антинейтрино первичного нуклеосинтеза с учетом функции Ферми и определение его чувствительности к изменению барион-фотонного отношения. Исследование влияния неравновесных нейтринных процессов в ходе первичного нуклеосинтеза на выход легких элементов (He, D, Li). 2. Определение изотопного состава первичного вещества. Получение независимой оценки содержания первичного гелия. Поиск вариантов решения проблемы распространенности первичного лития. Измерение распространенности первичного дейтерия. Мы планируем впервые получить оценки на выгорание дейтерия в процессе звездной эволюции по измерению его распространённости в межзвездной среде в широком интервале металличностей. 3. Исследование эволюции температуры реликтового излучения в ранней Вселенной. Измерения температуры реликтового излучения на больших красных смещениях z~1-3 с помощью анализа населенностей вращательных уровней молекул CO (при этом впервые, применительно к этой задаче, будет произведен учет столкновений) и уровней тонкой структуры атомов C I. 4. Изучение холодной фазы межзвёздного вещества в галактиках ранней Вселенной. Определение физических условий (кинетической температуры, плотности, давления) и химического состава в холодной фазе межзвёздного вещества, а также изменения этих характеристик в процессе эволюции Вселенной. Изучение соотношения между молекулярным и атомарным газом в галактиках ранней Вселенной и его связи с процессом звездообразования. Изучение относительного содержания молекул HD/H2. 5. Изучение нейтрального и молекулярного газа в ближайшей окрестности активных ядер галактик. Впервые будут детально исследованы так называемые DLA системы коронографы и “призраки”, которые были недавно обнаружены в спектрах квазаров. Эти системы представляют собой нейтральный газ, находящийся в ближайшей окрестности активного галактического ядра. 6. Определение уравнения состояния межгалактического вещества на больших красных смещениях. Измерение характерной температуры, показателя степенной зависимости температура-плотность межгалактического вещества, а также интенсивности фона ионизующего излучения посредством анализа линий Лайман-альфа леса в спектрах квазаров. Ожидаемые результаты 1. Процессы первичного нуклеосинтеза. Впервые будет выполнен расчет спектра нетепловых антинейтрино первичного нуклеосинтеза с учетом функции Ферми и расчет чувствительности спектра антинейтрино к изменению барион-фотонного отношения. Будут построены неравновесные функции трех сортов нейтрино с момента отщепления нейтрино (T~2 MeV) до момента электрон-позитронной аннигиляции на фоне изменяющейся в следствие расширения Вселенной электронной плотности (эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна в эпоху первичного нуклеосинтеза). Будет исследовано влияние неравновесных нейтринных функций на выход легких элементов. 2. Определение содержания изотопного состава первичного вещества. Будет получена независимая оценка содержания первичного гелия. Будут выполнены исследования свойств гипотетической небарионной компоненты, эволюция которой в период между первичным нуклеосинтезом (первые минуты рождения Вселенной) и первичной рекомбинацией (380 тыс. лет после Большого взрыва) приводит к изменению энтропии в фотонной составляющей. Это приведет к изменению распространённости лития-7, получаемого при численном моделировании первичного нуклеосинтеза, и может являться одним из вариантов решения проблемы первичного лития. Будут получены оценки содержания первичного дейтерия и его выгорания в процессе звездной эволюции по измерению его распространённости в межзвездной среде в широком интервале металличностей. 3. Исследование эволюции температуры реликтового излучения в ранней Вселенной. Будут выполнены измерения температуры реликтового излучения на больших красных смещениях z~1-3 с помощью анализа населенностей вращательных уровней молекул CO и уровней тонкой структуры атомов CI. При этом впервые (для задачи определения температуры реликтового излучения) будет произведен учет влияния столкновений на заселенности вращательных уровней молекул CO. 4. Изучение холодной фазы межзвёздного вещества в галактиках ранней Вселенной. Будут определены физические условия (кинетическая температура, плотность, давление) и химический состав холодной фазы межзвёздного вещества, а также изменения этих характеристик в процессе эволюции Вселенной. Будет изучено соотношение между атомарным в молекулярным газом в галактиках ранней Вселенной и его связь с процессом звездообразования. Будет выполнено измерение относительной распространенности молекул HD/H2 в галактиках ранней Вселенной. 5. Исследование нейтрального и молекулярного газа в ближайшей окрестности активных ядер галактик. Впервые будут детально изучены, так называемые, DLA системы коронографы и “призраки”. Это позволит определить природу происхождения нейтрального и молекулярного газа в ближайшей окрестности активных ядер галактик, а также исследовать эффекты обратной связи между квазарами и родительскими галактиками. 6. Уравнение состояния межгалактического вещества на больших красных смещениях. Будут измерены характерная температура, показатель степенной зависимости температура-плотность межгалактического вещества, а также интенсивность фона ионизующего излучения посредством анализа линий Лайман-альфа леса в спектрах квазаров.