Исследование абсорбционных спектров квазаров с целью проверки возможной вариации фундаментальных физических констант в процессе космологической эволюции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат физико-математических наук Иванчик, Александр Владимирович

• Иванчик, Александр Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иванчик, Александр Владимирович

Введение.

1 Проблема вариации фундаментальных физических констант.

1.1 История вопроса.

1.2 Современный статус проблемы непостоянства фундаментальных физических констант.

1.2.1 Вариация констант в струнных теориях.

1.3 Различные методы определения вариаций фундаментальных физических констант.

1.3.1 Феномен "Окло".

1.3.2 Лабораторные измерения.

1.3.3 Ограничения, получаемые из стандартной модели первичного нуклеосинтеза.

1.3.4 Астрофизический метод. Абсорбционные спектры квазаров.

2 Верхний предел на возможное космологическое изменение постоянной тонкой структуры.

2.1 Постоянная тонкой структуры.

2.2 Описание метода определения отклонения значения а.

2.3 Наблюдения и первичная обработка спектра.

2.3.1 Дублеты IV в спектре квазара / 2238-606.

2.4 Данные по литературе. Критерии отбора данных.

2.5 Верхний предел на Да/а.

3 Верхний предел на возможное космологическое изменение отношения масс электрона и протона ^ = те/тр.

3.1 Современное экспериментальное значение ¡1.

3.2 Молекулярный водород в спектрах квазаров.

3.3 Метод определения А/л/ц.

3.4 Наблюдение квазара РКБ 0528-250. Редукция спектра.

3.5 Корреляционная зависимость. Верхний предел на А^/ц.

4 Теоретические следствия.

4.1 Ограничение на скорость изменения массы протона.

4.2 Анизотропия постоянной тонкой структуры по различным направлениям на небесной сфере.

4.3 Логарифмическая зависимость оГ1.

4.4 Степенная зависимость а.

4.5 Струнные теории.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование абсорбционных спектров квазаров с целью проверки возможной вариации фундаментальных физических констант в процессе космологической эволюции»

Современная астрофизика и наблюдательная астрономия предоставляют широкие возможности для научных исследований не только в области чистой астрономии, но и в различных областях современной физики, особенно в физике высоких энергий, ядерной физике, физике элементарных частиц. Уникальные физические условия, которые природа реализует в огромном многообразии астрофизических объектов и явлений, позволяют изучать физические законы и процессы, лабораторные условия для которых недостижимы на Земле не только в настоящий момент, но и долгое время в будущем .

Современные теоретические предсказания физики элементарных частиц (Теорий Великого Объединения взаимодействий GUT и теории суперструн) большей своей частью относятся к диапазону энергий, недостижимых даже на самых мощных современных ускорителях. Поэтому изучая раннюю Вселенную, в которой эффекты, предсказываемые этими теориями, не являются исче-зающе малыми, можно делать некоторые заключения относительно различных вариантов современных теорий.

В настоящий момент имеется несколько возможностей для изучения процессов в ранней Вселенной: это первичный нуклеосинтез, дающий представление о физических условиях, существовавших в первые минуты рождения Вселенной; это реликтовое излучение, характеризующее эпоху просветления Вселенной (¡=ь 105 -f- 106 лет после Большого Взрыва); наконец это квазары, "просвечивающие" вещество, находящееся на ранних стадиях эволюции, охватывающей последние 90% возраста Вселенной. Именно последняя возможность изучения ранних этапов эволюции Вселенной будет обсуждаться в диссертации.

Квазары - наиболее мощные из известных нам источников энергии и наиболее загадочные астрофизические объекты, интерес к которым неуклонно растет благодаря огромному потенциалу и красоте задач, которые можно решать, наблюдая эти объекты. Задачи, решаемые с помощью наблюдений квазаров, можно подразделить на два основных типа: а) Исследование природы самого квазара, т.е. его внутреннего строения и механизмов энерговыделения, взаимодействия активного ядра с родительской галактикой, физические условия в областях формирования континуального спектра и эмиссионных деталей, воздействие рентгеновского и 7-излучения на локальную межзвездную среду: изменение ее химического и изотопного состава. Эти задачи решаются, в основном, путем анализа эмиссионных спектров квазаров.

Ь) Исследование физических условий и состояния вещества, находящегося на больших космологических расстояниях и оказавшегося на луче зрения квазар-наблюдатель. Эта задача решается путем анализа абсорбционных спектров квазаров. Космологические расстояния, на которых наблюдают квазары, позволяют изучать эволюцию Вселенной. Абсорбционный спектр квазара, формирующийся в процессе распространения света от квазара к наблюдателю, по-существу, является пространственно-временной фотографией Вселенной. Абсорбционные детали спектра, сформировавшиеся 10-12 млрд. лет назад, дают представление о физических условиях, существовавших на стадиях развития молодой Вселенной, возраст которой составлял менее 10% от его современного значения, которое оценивается приблизительно в 14 млрд. лет.

Данная диссертация посвящена анализу абсорбционных спектров квазаров с целью изучения физических условий на ранних стадиях эволюции Вселенной и космологических проявлений современных теорий физики элементарных частиц, а именно исследованию возможного космологического изменения фундаментальных физических констант: с* = е2/Ьс — постоянной тонкой структуры, л = те/тр — отношения масс электрона и протона, характеризующих силу электромагнитного и ядерного взаимодействий.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, в которых излагается оригинальная часть работы, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Иванчик, Александр Владимирович

Заключение.

5.1 Результаты и выводы, выносимые на защиту.

1. а. Впервые в России для слабых объектов (У > 15.8т) получены спектры высокого разрешения (FWHM < 25 км/с) в ходе наблюдения квазаров HS 1946+ 76, S5 00Ц+81, S4 0636+68 на 6-метровом телескопе CAO РАН;

Ь. Впервые с точностью АЛ < 0.1 À измерены значения длин волн 50 линий абсорбционной системы молекулярного водорода с большим красным смещением z=2.811. Линии измерены в спектре высокого разрешения квазара PKS 0528-250, полученного на 4-метровом телескопе межамериканской обсерватории в Сьеро-Тололо.

2. Из анализа величины тонкого расщепления дублета Si IV (А0 = 1393.755 Â и 1402.770 À) в спектрах далеких квазаров, определен наиболее надежный на сегодняшний день предел на скорость возможного космологического изменения постоянной тонкой структуры: à/a \ < 1.9 х Ю-14 год-1

3. Из анализа электронно-колебательно-вращательных линий Н2 в спектре квазара PKS 0528-250 определен наиболее жесткий предел на скорость возможного изменения отношения масс электрона и протона: ¡i/ц | < 1.5 х 10~14 год"1

5.2 Публикации по теме диссертации

1. Д.А. Варшалович, В.Е. Панчук, A.B. Иванчик.

Абсорбционные системы в спектрах квазаров HS 1946+76, S5 0014 + 81, S4 0636+68. Новые ограничения на космологическое изменение постоянной тонкой структуры. Письма в АЖ, 1996, 22, No. 1, с. 8-16.

2. A.Y. Potekhin, A.V. Ivanchik, D.A. Varshalovich, K.M. Lanzetta, J.A. Baldwin, G.M. Williger, R.F. Carswell.

Testing Cosmological Variability of the Proton-to-Electron Mass Ratio Using the Spectrum of PKS 0528-250 Astrophysical Journal, 1998, 505, p. 523-528. http:. /astro-ph/9804116

3. Д.А. Варшалович, A.B. Иванчик, А.Ю. Потехин. Менялись ли в процессе космологической эволюции фундаментальные физические константы?

Известия РАН, Серия Физическая, 1998, 62, No. 9, с. 1714-1716.

4. D.A. Varshalovich, A.Y. Potekhin, A.V. Ivanchik.

Fundamental physical constants: Are their values the same in different regions of the Universe? Have they changed in ten billion years?

Review of Global Scientific Achievments (Journal of Journals), 1997, 1, No. 1, p. 7-11.

5. V.E. Panchuk, I.D. Najdenov, V.G. Klochkova, A.V. Ivanchik, S.V. Ermakov, V.A. Murzin.

High resolution spectroscopy of fiant objects at the 6m telescope. Bull. Special Astrophys. Obs., 1998, 44, 127-131.

6. D.A. Varshalovich, A.Y. Potekhin, A.V. Ivanchik, Y.E. Panchuk, K.M. Lanzetta. Testing Cosmological Variations of Fundamental Physical Constants.

The II International Sakharov Conference on Physics.

Eds. I.M. Dremin & A.D. Semikhatov, 1997, pp. 178-182, WSPC Singapore. http:./astro-ph/9607098

7. D.A. Varshalovich, A.Y. Potekhin, A.V. Ivanchik.

Testing Cosmological Variations of Fundamental Physical Constants by Analysis of Quasar Spectra.

International Conference on "Relativistic Astrophysics". (10-13 Jan. 1996) Copenhagen. Poster Abstracts, 1996, pp. 30-31.

8. Д.А. Варшалович, А.Ю. Потехин, А.В. Иванчик, B.E. Панчук, К. Ланцетта.

Проверка космологической переменности фундаментальных физических констант на основе анализа спектров квазаров. Препринт ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 1997, No. 1696, 1-12.

9. D.Ershov, S.A. Gulyaev, A. Ivanchik, D.A. Varshalovich, A. Tsivilev Interpretation of anomalous helium abundance derived from radio recombination line observations of nebulae.

Astronomical and Astrophysical Transactions, 1998, 15, 218.

10. A.V. Ivanchik, A.Y. Potekhin, D.A. Varshalovich

The fine-structure constant: A new observational limit on its cosmological variation and some theoretical consequences. Astronomy and Astrophysics, 1999, 345. ht tp:. /astro-ph/9810166

Апробация

Результаты, обсуждаемые в диссертации, неоднократно докладывались на семинарах сектора теоретической астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, на семинарах института Макса Планка в Гарчинге 1995, а также на конференции "Релятивистская астрофизика и космология", (Копенгаген, 1996); на II Международной Сахаровской конференции по физике, (Москва, 1996); на XIV конференции "Актуальные проблемы внегалактической астрономии", (Пущине, 1997); на Третьей международной конференции по космомикрофизике "КОСМИОН-97", (Москва, 1997); на Общемосковском Астрономическом Семинаре ГАИШ (МГУ; Москва, 1998).

Работа [3] вошла в цикл работ, удостоенных Главной Премии МАИК "НАУКА" (1996 г.) "За лучшие публикации в области естественных наук в журналах, издаваемых Международным академическим издательством "НАУКА".

Благодарности

Данная диссертация явилась результатом моей работы в секторе теоретической астрофизики Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, куда я пришел в 1993 году, будучи студентом четвертого курса Ленинградского Политеха. С первого дня и до настоящего момента моей работой руководит Дмитрий Александрович Варшалович, который стал фактически моим учителем в астрофизике. Невозможно отблагодарить до конца за те знания, которые я получил от него, за ту человеческую теплоту и терпение, с которыми он преодолевает мое непонимание и иногда упрямство. Только невероятным везением я могу назвать ту череду случайных событий в моей жизни, которые определили род моих занятий и человека, которой больше всех мне помог понять красоту и глубину астрофизики.

Огромную Благодарность и Признательность хотел бы я выразить всем сотрудникам сектора теоретической астрофизики, составляющего этот живой, а потому разношерстный, но несмотря ни на что очень теплый коллектив, частью которого не без гордости ощущаю себя и я.

Огромное спасибо всем моим соавторам, особенно А.Ю. Потехину, у которого можно учиться тому, как нужно четко и лаконично формулировать свои мысли.

Результаты представленные в диссертации, частью были получены, в ходе наблюдений квазаров на 6-метровом телескопе CAO РАН. Я признателен многим людям, работающим в этой обсерватории и очень радушно принимавшим меня там. Очень благодарен Владимиру Евгеньевичу Панчуку, от которого я получил большую часть знаний по наблюдательной астрономии. Я благодарен и Валентине Георгиевне Клочковой и Владимиру Евгеньевичу Панчуку за гостеприимство, с которым они принимали меня в периоды наблюдений по нашей программе. Хотел бы поблагодарить Г. А. Галазутдинова и C.B. Ермакова за консультации и помощь, предоставляемые мне.

Я благодарен Кену Ланцетте (К. Lanzetta) за сотрудничество и любезное предоставление спектра молекулярного водорода, результаты анализа которого вошли в третью главу моей диссертации.

Особую благодарность я хотел бы выразить своей маме, которой я обязан многим.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иванчик, Александр Владимирович, 1998 год

1. Борисенко А.Н., Маркелов C.B., Рядченко В.П., 1991, Preprint Spec. Astrophys. Obs., No. 76

2. Варшалович Д.А., Левшаков С.А., Письма в ЖЭТФ, 58, 237

3. Варшалович Д.А., Панчук В.Е., Иванчик A.B., 1996, Письма в АЖ, 22 (1), 8

4. Варшалович Д.А., Потехин А.Ю., 1994, Письма в АЖ, 20 (12), 883

5. Высоцкий М.И., Новиков В.А., Окунь Л.Б., Розанов А.Н., 1996, УФН, 166, No. 5, 539

6. Галазутдинов Г.А., 1992, Система обработки звездных эшелле-спектров. Препринт CAO РАН No. 92

7. Грин М., Шварц Дж., Виттен Э., 1990, Теория суперструн, 1,2 т. М: Мир.

8. Кетов C.B., 1990, Введение в квантовую теорию струн и суперструн. Новосибирск: Наука.

9. Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Штаудт А., 1997, Неускорительная физика элементарных частиц. М.: Наука.

10. Левшаков С.А., 1994, Астрономический Журнал, 71, No. 2, 181

11. Линде А.Д., 1990, Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М.: Наука.

12. Морозов А.Ю., 1992, УФН, 162, No. 8, 83

13. Окунь Л.В., 1981, Лептоны и кварки. М.: Наука.

14. Окунь Л.Б., 1984, Физика элементарных частиц. М.: Наука.

15. Стриганов А.Р., Одинцова Г.А., 1982, Таблицы спектральных линий атомов и ионов. М.: Энергоиздат.

16. Таблицы стандартных справочных данных, 1989. М.: Издательство стандартов.

17. Чечев В.П., Крамаровский Я.М., 1978, Радиоактивность и эволюция Вселенной. М.: Наука.

18. Шляхтер А.И., 1976, Препринт ЛИЯФ, No. 280

19. Abgrall Н., RouefFE., Launa Y.F., Roncin J.Y., Subtil J.L., 1993, A&AS, 101, 273

20. Accetta F.S., Krauss L.M. and Romanelli P., 1990, Phys.Lett., 248B, 146

21. Bahcall J.N., and Schmidt L., 1967, Phys.Rev.Lett., 19, 1294

22. Barrow J.D., 1987, Phys.Rev., D 35, 1805

23. Brand H., Seibert В., Steudel A., 1980, Z. Phys. A 296, 281

24. Brans C., Dicke R.H., 1961, Phys.Rev., 124, 925

25. Breakiron L.A., 1993, In Proc. of the 25th Annual Precise Time Interval Applications and Planning Meeting, NASA Conference Publication No. 3267, 401

26. Callan C.G., Klebanov I.R., Perry M.J., 1986, Nucl.Phys., B278, 78

27. Campbell B.A., Olive K.A., 1995, Phys.Lett., B345, 429

28. Chodos A., Detweiler S., 1980, Phys.Rev., D 21, 2167

29. CODATA Bull., Jul. 24, 1997

30. Cowie L.L., Songaila A., 1995, ApJ, 453, 596

31. Damour Т., and Dyson F.J., 1996, Nucl. Phys. B480, 37

32. Damour Т., and Polyakov A.M., 1994, Nucl. Phys. B423, 532

33. Damour Т., and Taylor J.H., 1991, ApJ, 366, 501

34. Demidov N.A., Ezhov E.M., Sakharov B.A., Uljanov B.A., Bauch A., Fisher В., 1992, in Proc. of the 6th European Frequency and Time Forum, Noordwijk, The Netherlands, p. 409

35. Dirac P.A.M., 1937, Nature, 139, 323

36. Drinkwater M.J., Webb J.K., Barrow J.D., Flambaum V.V., 1998, MNRAS, 295, 45737

37. Dyson F.J., 1967, Rev.Lett. 19, 1291

38. Dyson F.J., 1972, Aspects of Quantum Theory, Eds.: Salam A., Wigner E.P., Cambridge Univ., p. 213

39. Ershov D., Gulyaev S.A., Ivanchik A., Varshalovich D.A., Tsivilev A., 1998, Astron. and Astrophys. Transactions, 15, 218.

40. Foltz C.B., Chaffee F.H., Black J.H., 1988, ApJ, 324, 267

41. Fradkin E.S., Tseytlin A.A., 1985, Phys.Lett., B158, 316

42. Freund P., 1982, Nucl. Phys. B209, 146

43. Gamow G., 1967, Phys.Rev.Lett., 19, 759

44. Ge J., Bechtold J., 1997, ApJ Lett., 477, L73

45. Gold R., 1968, Phys.Rev.Lett., 20, 219

46. Hellings R.W. et al., 1983, Phys.Rev.Lett., 51, 1609

47. Jordan P., 1955, Schwerckraft und weltall, Braunschweig.

48. Kalvius G.M., Shenoy G.K., 1974, Atomic and Nuclear Data Tables 14, 639

49. Kaluza Th., 1921, Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. Berlin Math.-Phys., 966

50. Kelly R.L., 1987, J.Phys.Chem.Ref. Data NBS., 16

51. Klein 0., 1926, Z. Phys., 37, 895

52. Kolb E.W., Perry M.J., Walker T.P., 1986, Phys.Rev., D 33, 869

53. Kuroda P.K., 1982, The Origin of the Chemical Elements and the Oklo Phenomenon, (Berlin: Springer)

54. Lanzetta K.M., Wolfe A.M., Turnshek D.A., Lu L., McMahon R.G., Hazard C., 1991, ApJS, 77, 1

55. Milne E.A., 1935, Relativity, gravitational and world structure, Oxford, Clarendon Press, 292

56. Morton D.C., Dinerstein H.L., 1976, ApJ, 204, 1

57. Morton D.C., Jian-sheng C., Wright A.E., Peterson B.A., & Jaunsley D.L., 1980, MNRAS, 193, 399

58. Morton D.C., York D.G., Jenkins E.B., 1988, ApJS, 68, 449 Mughabghab S.F., 1984, Neutron Cross Section, V. 1, B (Academic Press). D'Odorico S., Ghigo M., Ponz D., 1987, ESO Scientific Rep. No. 6 Pagel B., 1977, MNRAS, 179, 81P

59. Petitjean P., Rauch M., Carswell R.F., 1994, A&A, 291, 29

60. Potekhin A.Y., Ivanchik A.V., Varshalovich D.A., Lanzetta K.M., Baldwin J.A., Williger G.M., Carswell R.F., 1998, ApJ, 505, 523

61. Potekhin A.Y., Varshalovich D.A., 1994, A&AS 104, 89

62. Prestage J.D., Robert L.T., Maleki L., 1995, Phys.Rev.Lett., 74, 3511

63. Santiago D.I., Kalligas D., Wagoner R.V., 1997, Phys.Rev., D56, 7627

64. Savedoff M.P., 1956, Nature, 178, 3511

65. Serna A., Alimi J.M., 1996, Phys.Rev., D53, 3087

66. Shlyakhter A.I., 1976, Nature, 25, 340

67. Sisterna P.D., Vucetich H., 1990, Phys.Rev., D 41, 1034

68. Songaila A., Cowie L.L., 1996, AJ, 112 (2), 335

69. Teller E., 1948, Phys.Rev. 73, 801

70. Thompson R., 1975, Astron. Lett., 16, 3

71. Tubbs A.D., Wolfe A.M., 1980, ApJ, 236, L105

72. Van Flandern T.C., 1975, MNRAS, 170, 333

73. Varshalovich D.A., Potekhin A.Y., 1995, Sp.Sci.Rev., 74, 259

74. Webb J.K., Flambaum V.V., Churchill C.W., Drinkwater M.J., Barrow J.D., 1998, (submitted to Phys.Rev.) /astro-ph/9803165

75. Wilkinson D.H., 1958, Phil. Mag., 3, 582