Неоднородность пространства-времени в Галактике и стабильность небесной системы координат тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.01, кандидат физико-математических наук Пширков, Максим Сергеевич

• Пширков, Максим Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пширков, Максим Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, ЦЕЛИ И НОВИЗНА РАБОТЫ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1 Обзор работ по микролинзированию и слабому микролинзированию и история вопроса.

2 Гравитационное микролинзирование.

2.1 Движение фотонов в поле точечной сферически симметричной гравитационной линзы.

2.2 Микролинзирование. Уравнение точечной гравитационной линзы.

2.3 Понятие слабого гравитационного микролинзирования.

3 Решение уравнений в приближении эйконала.

3.1 Воздействие гравитационного лиизирования на измерения из двух положений.

3.2 Оценка влияния эффекта гравитационного микролинзирования па измерения на приборах типа интерферометра.

4 Моделирование слабого микролинзирования в Галактике.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Теории строения Галактики, использовавшиеся в моделировании.

4.3 Описание принципа моделирования.

4.4 Статистические характеристики процесса "блуждания" изображения.

5 Интерпретация видимых движений радиоисточников по наблюдениям геодезической сети РСДБ.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Неоднородность пространства-времени в Галактике и стабильность небесной системы координат»

Астрометрические наблюдения с начальных этапов развития астрономии несли и несут в себе основную информацию о строении и физике Вселенной, Это касалось наблюдений планет и звезд, которые проводились в древнем мире, это же касается и современной астрометрии. Несмотря на прошедшее время, вопросы, на которые отвечает астрометрия, изменились не существенно. Как и на ранних своих этапах, так и сейчас, основным вопросом был и остается вопрос определения положения источника излучения на небесной сфере и его движения. Изменились только тип источников и точность измерения их положений. Со временем астрометрия начала заниматься источниками, излучение которых относится не только к видимой части спектра, но к радио и другим диапазонам. Это привело к расширению круга задач, что, в свою очередь, приводит к новому повышению значимости астрометрических наблюдений для современной астрономии.

Решительный шаг был сделан в тот момент, когда точность наблюдений радиоисточников значительно превысила точность наблюдений в оптическом диапазоне, что дало возможность наблюдать источники излучения, расположенные на значительно больших расстояниях и с существенно меньшим собственным движением. Массовость подобных наблюдений и более простая процедура получения значительно более точных координат привели к тому, что была создана новая опорная система координат- ICRF.

В скором будущем будут проведены новые сверхточные астрометрические эксперименты, основанные на интерферометрах с космическими базами, что позволит кардинально улучшить точность наблюдений. Важное место в планирующихся экспериментах занимают наблюдения на радиоинтерферометрах с сверхдлинной базой (РСДБ-наблюдения).

Данная работа посвящена вопросу слабого микролинзирования и его влиянию на координаты объектов на небесной сфере, а также па перспективные РСДБ-наблюдения. Задача рассматривается в связи с быстро растущим интересом к астрометрическим наблюдениям в оптическом и радиодиапазонах. Сейчас объч,м таким наблюдений быстро увеличивается. Это, в ближайшем будущем, потребует новой интерпретации данных, полученных при наблюдении координат и параллаксов внегалактических объектов.

Изучая положение источника па небесной сфере, можно получить большое количество информации как о самом источнике, так и о структуре Вселенной. Одной из главных задач, для которой проводились и проводятся астрометрические наблюдения, была и остается задача определения опорной системы координат на небесной сфере. Важность этой задачи очень высока, так как от реализации опорной системы координат зависят все системы координат, которые мы используем сейчас.

Так как основной задачей разработки новой опорной системы координат является выбор источников для нее с как можно меньшим собственным движением и, соответственно, создание такой системы, которая будет наиболее близка к инсрциальиой, следовательно, основополагающим моментом для подобной задачи будет уменьшение величины собственного движения, а в идеале нахождение источников с нулевым собственным движением.

Выбор радиоисточников для решения подобной задачи обуславливается тем, что точность наблюдений большого числа источников излучения в радиодиапазоне стабильно растет и уже на данном этапе заметно превышает точности таких же наблюдений в оптическом диапазоне (Kopeikin S.M., 2003). Поскольку в качестве источников выбираются весьма удаленные объекты, такие как квазары и радиогалактики, это также позволяет значительно повысить точность реализации опорной системы координат, поскольку степень равномерности распределения этих источников по небесной сфере значительно выше, чем у звезд, которые использовались для построения реализаций опорных систем координат ранее. Также важным является и то, что для большинства источников величина их собственного движения очень мала.

Все это дает возможность существенно повысить точность реализации опорной системы координат, что, соответственно, приводит к повышению точности всех остальных наблюдений, повышению точности реализации других систем координат как на поверхности Земли, так и в пространстве. Однако, существует несколько причин, по которым реализация данной задачи может представлять некоторую трудность. Часть из них - это физические процессы, протекающие в самих опорных источниках (Porcas R.W., 1997), другая часть связана со строением и структурой нашего пространства-времени. Физические процессы обуславливают изменение положения излучающей части самого источника. Вторая не менее важная причина, по которой положение источника может изменяться на небесной сфере - это искажение пространства-времени, которое в данном случае приводит к отклонению траекторий движения фотонов от прямой линии под действием гравитационных сил (Сажин М.В., 1996), (Sazhin et al., 1998), (Sazhin et al., 2001), (Belokurov V.A. & Evans N.W., 2002). Это приводит к изменению положения источника на небесной сфере для наблюдателя. Величина этого эффекта может быть разной, но в любом случае необходимость его учета становится все более насущным вопросом в процессе обработки наблюдений. Эта проблема становится все более и более значимой вследствие подготовки большого числа космических экспериментов как в радио-, так и в оптическом диапазоне (Радиоастрон),(81М), (DARWIN), (GAIA), (DIVA), (FAME), (КАЭ "Ломоносов", 1992),(КАЭ "Озирис", 2005), в которых число наблюдаемых объектов малой звездной величины будет весьма существенным.

В данной работе будут рассмотрены: как влияние слабого гравитационного микролинзирования на опорную систему координат, на параллаксы внегалактических источников, так и вопросы связанные с тем, насколько высока вероятность для внегалактического источника оказаться иод влиянием слабого гравитационного микролинзирования, то есть, вопросам статистического исследования возможных величин отклонений изображений внегалактических источников от истинного положения. Результаты, представленные в работе, опубликованы в статьях: Сажин М.В., Жаров В.Е., Калинина Т.А., Пширков М.С., Исследования влияния нестационарности пространства-времени на решения задач астрометрии микросекундного уровня точности, Космический астрометрический эксперимент ОЗИРИС, Сажин М.В., Пширков М.С., Эффект слабого микролинзирования и интерферометрия, Электронный журнал "Исследовано в PoccHHMhttp://zhurnal. ape.relarn.ru/articles/2005/119.pdf, Калинина Т.А., Пширков М.С., "Моделирование траекторий движения изображений внегалактических источников", Астрономический журнал принято в печать . А так же докладывались на конференциях: Сессия АКЦ ФИАН в Пущино 11-12 февраля 2005. .

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, ЦЕЛИ И НОВИЗНА РАБОТЫ

Актуальность темы

Слабое гравитационное микролинзирование - это эффект отклонения фотонов от прямолинейной траектории распространения под действием гравитационного поля точечного, сферически-симметричного объекта, такого, как, например, звезда нашей Галактики. Несмотря на то, что эффект отклонения фотонов в гравитационных полях следует еще из ньютоновской теории тяготения и был, по всей видимости, известен Ньютону, точную формулу для величины угла отклонения вывел только Эйнштейн в 1915 году (Эйнштейн). Но систематический подход к вопросу изучения гравитационного линзирования вообще и слабого гравитационного микролинзирования в частности, появился только с середины прошлого века. Теория гравитационного линзирования сейчас разработана достаточно детально, но теория слабого гравитационного микролинзирования только начала развиваться.

Изучение эффекта слабого гравитационного микролинзирования и его влияния на координаты и параллаксы объектов является одной из фундаментальных задач астрометрии на сегодняшний день. Новизна темы предполагает проведение начальной разработки теории влияния эффекта на интерферометрические наблюдения. Эта разработка является особенно актуальной задачей в свете развития новых астрометрических методов. Диссертация направлена на комплексное изучение этого нового для астрометрии вопроса, на создание теоретической базы для наблюдений, а также на выявление некоторых статистических закономерностей проявления эффекта слабого гравитационного микролинзирования в результатах наблюдений.

Цели работы

Целью диссертации являлась разработка теории микролинзирования с использованием формализма волновой оптики, нахождение основных формул, описывающих изменение фазы волны при угловых измерениях на приборах типа интерферометра под влиянием эффекта микролинзирования, а также оценка влияния эффекта на будущие измерения с космическими базами. Кроме того, целью работы также было рассмотрение влияния стохастического движения тел, которые могут являться объектами, на которых будет происходить гравитационное линзирование. Такой подход позволяет рассматривать движение фотона на фоне нестационарности пространства-времени в Галактике и найти характеристики распределения, описывающего случайное изменение траектории фотона и изменение положения источника под действием нестационарного гравитационного поля.

Научная новизна

Выведены уравнения, описывающие изменение фазы электромагнитной волны при интерферометрии источников под влиянием эффекта гравитационного линзирования. Проведены статистические исследования процесса случайного "блуждания- изображения источника под действием стохастического гравитационного поля Галактики, образованного совокупностью всех звезд и темных тел Галактики. Сделана попытка интерпретации видимых движений радиоисточников, образующих ICRF, как следствия нестационарности пространства -времени Галактики.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Заключение диссертации по теме «Астрометрия и небесная механика», Пширков, Максим Сергеевич

6 Заключение

В работе представлено решение нескольких задач, каждая из которых так или иначе связана с определением положений изображений источников на небесной сфере. Дано комплексное описание задачи слабого гравитационного микролинзирования. Эффект гравитационного микролинзирования является малой поправкой в решении задачи о траектории распространения фотона в слабо искривленном пространстве-времени нашей Галактики. Слабое гравитационное микролинзирование, как одно из возможных проявлений влияния гравитационных полей на фотоны, приходящих от внегалактических источников излучения, является одним из основных эффектов, учет воздействия которого будет необходим при наблюдениях подобных источников с угловой точностью на уровне Ю-6 угл. сек. Подобная точность будет достигнута в экспериментах уже в ближайшее десятилетие, поэтому учет эффекта слабого микролинзирования становится актуальным.

В работе получены формулы для описания эффекта слабого гравитационного микролинзирования в формализме волновой оптики. Сделан расчет влияния этого эффекта на измерения на интерферометрах (радио и оптических). Проведена оценка влияния эффекта слабого гравитационного микролиинзирования на перспективные измерения в рамках новых экспериментов как в радиодиапазоне (миссия Радиоастрон), так и в оптическом диапазоне (космический астрометрический эксперимент ОЗИРИС). Показано, что при определенных условиях эффект будет оказывать заметное влияние на точность РСДБ-наблюдений.

В первом приближении решена задача статистического исследования движения изображения внегалактического источника в ситуации, когда луч света от источника распространяется через плоскость Галактики. Моделирование проведено в случае, когда свет распространяется через диск и через балдж. Расмотрены две модели строения балджа, и выяснено влияние реалистичности модели строения балджа на статистические характеристики движения изображения. Показано, что наиболее частым будет отклонение, не превышающее 5 мкс дуги дуги. Что дает возможность, предполагать, что при наблюдениях с точностями 1 мкс дуги уже большинство источников будет подвергаться влиянию эффекта слабого гравитационного микролинзирования. Помимо этого, не исключена вероятность суперпозиции сразу нескольких эффектов, что практически сводит на нет возможность точного численного учета влияния этого эффекта на положение внегалактических объектов.

Рассмотрен вопрос об интерпретации видимых движений источников ICRF по небесной сфере. Показано, что это движение не может быть объяснено ни физическими перемещениями этих удаленных источников, ни процессами, протекающими внутри них, вследствие противоречий с СТО, возникающих при подобных интерпретациях. Сделана попытка интерпретировать эти движения, как проявление нестационарности пространства-времени в Галактике.

7 Положения, выносимые на защиту.

1. Выведенные автором диссертации уравнения, описывающие изменение разности фаз электромагнитных волн при интерферометрии источников под влиянием эффекта гравитационного линзирования и вытекающая из этих уравнений оценка вероятности появления значительных помех при наблюдении на Радиоастроне в направлении на балдж, равная 5 х 10"6 — 5 х Ю-5.

2.Статистические характеристики процесса случайного "блуждания-изображения внегалактического источника под действием стохастического гравитационного поля Галактики, образованного совокупностью всех звезд и темных тел Галактики, а именно: величины случайных отклонений изображения источника от невозмущенного положения и продолжительности заметных воздействий гравитационных линз на положения источников; внегалактические источники при наблюдениях в направлении балджа Галактики испытывают случайные отклонения с амплитудой больше 5 мкс. дуги с периодичностью 5-10 лет и отклонения такой же амплитуды с периодичностью ~ 100 лет при наблюдениях в плоскости диска.

3. Объяснение видимых движений радиоисточников, которые наблюдались в течении 20 лет международной геодезической сетью РСДВ, распространением электромагнитной волны от источника к наблюдателю в нестационарном пространстве-времени. Оценка вклада эффекта микролинзирования в движения опорных источников, который не превышает одну сотую от наблюденных величин.

Благодарности

Выражаю глубокую признательность д.ф.-м.н. В.Е.Жарову, д.ф.-м.н. К.В.Куимову, и к.ф.-м.н Т.А.Калининой за плодотворные и полезные дискуссии и советы по работе. Особую признательность выражаю д.ф.-м.н.М.В.Сажину и д.т.н. Ю.П. Илясову за большую помощь и поддержку в работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пширков, Максим Сергеевич, 2005 год

1. C. Alcock, С. W. Akerlof, R. A. Allsman, et al., Nature, v.365, 621, 1993. E. Aubourg, P. Bareyre, S. Brehin, et al., Nature, v.365, 623, 1993.

2. S. Baek, D.G. Cerdeno, Y.G. Kim, P. Ко, С. Munoz, arXiv:hep-ph/0505019, 2005.

3. J. N. Bahcall, Annual Review of Astronomy and Astrophysics,24,577,1986.

4. N. Bahcall, J.P. Ostriker, S. Perlmutter, P. J. Steinhardt, Science 284, 14811488,1999.

5. V.A. Belokurov,N.W. Evans, Monthly Not. Roy. Soc., v.331, p.649, 2002. N. Bissantz, O. Gerhard, Monthly Not. Roy. Soc., v. 330, p. 591, 2002.

6. D. G. Blair, M. V. Sazhin, Astron. and Astrophys. Trans., v.3, 191, 1993. Project DARWIN, http://ast.star.rl.ac.uk/darwin

7. Project DIVA. http://www.aip.de/groups/DIVA/

8. E. Dwek et al, Astrophys.J., v. 445,716, 1995. Project FAME, http://aa.usno.navy.mil/fame/

9. Project GAIA. http://astro.estec.esa.nl/SA-general/Project/GAIA;

10. GAIA, Composition, formation and evolution of the Galaxy. Concept and technology study report, Jule 2000.

11. O. Gerhard, arXiv:astro-ph/0203110, 2002.

12. A.-M. Gontier, M. Feissel, N. Essaifi,D. Jean-Alexis, Paris Observatory Analysis Center OPAR on activities, Jan98 Mar99.

13. A. Gould, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, v.108, p.465, 1996.

14. C. R. Gwinn, Т. M. Eubanks, Т. Pyne, M. Birkinshaw, D. N. Matsakis, Astrophys.J., 485, 87, 1997.r 68

15. С. Han,A. Gould,Astrophys.J.,447,53, 1995.

16. C. Han,A. Gould,Astrophys.J.,467,540, 1996.

17. T.A. Herring, D. Dong, R.W. King, Geophysical Research Letters, v.18, Oct. 1991, p. 1893-1896.

18. RS, International Earth Rotation Service Annual report, Observatoire de Paris, 1994, 1995.

19. RS, 21, 1996, International Earth Rotation Service Annual report, Observatore de Paris.

20. D. D. McCarthy, ed,,IERS Conventions. IERS Technical Note 21, Observatoire de Paris, 1996.

21. C. S. Jacobs, 0. J. Sovers, J. G. Williams, к E. M. Standish, Advances in Space Research, v.13, N 11, 161, 1993.

22. S. M. Kent, Astrophys.J.,v.387, p.181, 1992.

23. S. M. Kent, Т. M. Damio, G. Fazio, Astrophys.J.,v.378, p.131, 1991.

24. S.M. Kopeikin,E.B. Fomalont, arXiv:astro-ph/0311063, 2003.

25. S. Kopeikin, Scheffer, Phys. Rew, D, 60, N124002, arXiv:gr-qc/9902030, 1999.

26. K. Kuijken, G. Gilmore, Astrophys.J.,367, L9,1991

27. C. Ma, E.F. Arias, T.M. Eubanks et al., Astron. J. 116, 516, 1998.

28. D. S. MacMillan, arXiv: astro-ph/0309826, 2003.

29. J. F. Navarro,C. S. Frenk,S. D. M. White, Astrophys.J., v.462, 563, 1996. J. F. Navarro, M. Steinmetz, Astrophys.J., v.528, 607, 2000. B. Paczinsky, Astrophys.J., 304, 1, 1986. P. J. E. Peebles, arXiv:astro-ph/9806201, 1998.

30. R.W. Porcas, Workshop on Golden Lenses held at Jodrell Bank from 23 to 25 June 1997, http://www.astro.multivax.de:8000/ceres/workshopl/proceedings.html

31. Refsdal, Monthly Not. Roy. Astron. Soc., v.128, p. 295, 1964.

32. M.V. Sazhin, A.G.Yagola, A.V. Yakubov, Phys. Lett., A, v.219, p.199, 1996.

33. M.V. Sazhin, A.F. Zharov, T.A. Kalinina, Monthly Not. Roy. Astron. Soc., v.300, p.287, 1998.

34. M.V. Sazhin, A.F. Zharov, T.A. Kalinina, Monthly Not. Roy. Astron. Soc., v.323, p.952, 2001.

35. M. Sereno,E. Piedipalumbo,M.V. Sazhin,Monthly Not. Roy.Astron. Soc.,v.335, p.1061, 2002.

36. Project SIM. http://sim.jpl.nasa.gov/ T.S. Statler, Astrophys.J., v.321, p.113, 1987.

37. A. Udalski, M. Szymanski, J. Kaluzny et al., 1994, Astrophys.J. Lett., L.69, 426, 1994.

38. D. Walsh et al., Nature, v.279, 381, 1979.

39. P.R. Wozniak et al, Acta Astronomica v. 51, 175, 2001.

40. Zhdanov,Astron. and Astrophys., v.299, 321, 1995.

41. Блиох П.В., Минаков А.А., Гравитационные линзы, Киев, изд. Наукова думка, 1989.

42. Вейнберг С., Гравитация и космология, изд. Платон, 2000.

43. Захаров А.Ф., Гравитационные линзы и микролинзы, Москва, изд. Янус-К, 1997.

44. Захаров А.Ф., Сажин М.В., ЖЭТФ, т.110, N.1921, 1996. Захаров А.Ф., Сажин М.В., УФН, т.168, N.10, 1998.

45. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теретическия физика, т.2, "Теория поля", Москва, Наука, 1988.

46. Космический астрономический эксперимент "Ломоносов", сборник трудов, изд. МГУ, 1992.

47. Космический астрометрический эксперимент "ОЗИРИС", , изд. МГУ, 2005.

48. Кардашев Н.С., "Земля и Вселенная", 4, стр. 3, 2000.

49. Сажин М.В., Астрономический циркуляр, 1500, 1987.

50. Сажин М.В., Письма в Астрономический журнал, т.22, 871, 1996.

51. Эйнштейн А., Физика и реальность. М.: Наука, 1965.