0-735562

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БАРЫШЕВ Юрий Викторович

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЛАКТИК

И ТЕСТЫ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ КОСМОЛОГИИ

Специальность 01.03.02 — астрофизика и радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена в Научно-исследовательском астрономическом институте им.

В. В. Соболева Санкт-Петербургского государственного университета Министерства образования Российской Федерации.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Нагирнер Дмитрий Исидорович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Гнедин Юрий Николаевич доктор физико-математических наук Лукаш Владимир Николаевич доктор физико-математических паук, академик РАН Парийский Юрий Николаевич

Ведущая организация: Институт прикладной астрономии Российской академии наук, Санкт-Петербург

Защита состоится 09 октября 2003 г. в 14 ч. 00 м. па заседании диссертационного совета Д 212.232.15 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 28, ауд. 2143 (математикомеханический факультет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан 2003 г.

Ученый секретарь Орлов В.В.

диссертационного совета 0- 1

Общая характеристика работы

А к т у а л ь н о с т ь темы. Современный этан развития космологии характеризуется тем, что вопросы, связанные с проверкой фундаментальной физики, оказываются ключевыми для решения многих проблем космологической физики (Тернер 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, по также и саму физику, экстраполируемую на космологические масштабы.

Необходимость 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 энергетики гаммавсплесков и определении параметров их родительских галактик, имеющих большие красные смещения (см. 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 экспериментально более 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 вопрос о наблюдательном тестировании моделей мира находился в центре внимания астрономов и физиков.

Для этой цели Хаббл, Толмен и Сэндидж сформулировали программу выбора космологической модели по наблюдениям, где были предложены классические программы, 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) по далеким сверхновым типа Iа (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. Наблюдения дают величину для параметра плотности этой составляющей 0.7. Возможные эффекты селекции и эволюции сверхновых типа Iа требуют дальнейшего изучения, однако уже сейчас ясно, что вакуумоподобная материя стала фундаментальной компонентой во Вселенной (Чорпип 2001, Пиблс и Ратра 2002).

Наблюдения анизотропии микроволнового фонового излучения (МФИ) также привели к резкому ограничению на допустимую величину полного параметра плотности = 1.02 ± 0.05 (де Бернардис и др. 2000). Недавние результаты наблюдений космической обсерватории WMAP подтвердили критическое значение плотности во Вселенной с точностью до 2%. Так как доля светящегося барионного вещества составляет окаю 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. 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 (Лукаш 2000).

Теория гравитации является базисным элементом современных космологических моделей, фактически космологическая модель есть не что иное, как одно из решений уравнений гравитационного ноля. 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. В современной теоретической физике, кроме геометрического описания гравитации, обсуждается также полевой подход, который описывает физику гравитационного взаимодействия как обмен квантами поля в плоском пространстве Минковского. В связи с фундаментальной ролью теории гравитации в космологических моделях, разработка астрофизических наблюдательных тестов природы гравитации является актуальной задачей космологии. В частности, уже вступают в строй гравитационные антенны третьего поколения, с помощью которых можно провести наблюдательную проверку эффектов сильного гравитационного поля. 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.

Ц е л ь и з а д а ч и. Целью данной работы является разработка новых наблюдательных тестов релятивистской космологии, направленных на прямую проверку исходных принципов и фундаментальной физики космологических моделей. В соответствии со структурой современных моделей, такими 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-знергии в форме вакуума, и квинтэссенции.

Н а у ч н а я 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 гравитационное излучение).

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 получен абсолютный верхний предел на полную массу фрактально распределенной скрытой материи во Вселенной.

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 вакуумонодобной материи.

Н а у ч н а я И практическая ценность. Научная ценность работы состоит в 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,