Искажение спектра реликтового излучения при рекомбинации первичной плазмы в ранней Вселенной. В.Г. Курт, Н.Н. Шахворостова Астрокосмический центр ФИАН Конференция, посвященная 100-летию со дня рождения Я.Б. Зельдовича 20-21 марта 2014 года, ГАИШ МГУ Реликтовое излучение (Cosmic Microwave Background) Пространственные флуктуации температуры – Planck (Planck collaboration, 2013) Спектр пространственной анизотропии Вариации температуры T = ± 0.00002 K Спектр реликтового излучения COBE/FIRAS Mather et al. (1994), Fixsen et al. (1996). Планковский спектр РИ ⇓ ТДР в прошлом Вброс доп. энергии в поле излучения ⇓ Отклонение от ТДР ⇓ Детали в спектре РИ ⇓ z и механизм энерговыделения T = T0(1 + z) nmax = 160 ГГц Раннее энерговыделение во Вселенной Я.Б. Зельдович, Р.А. Сюняев (1969, 1970) Я.Б. Зельдович, И.Д. Новиков “Строение и эволюция Вселенной” (1975) До z ~ 107 двойное комптоновское рассеяние –> замывание любых искажений 105 < z < 107 комптоновское рассеяние –> кинетическое равновесие между плазмой и фотонами –> распределение Бозе-Эйнштейна с химическим потенциалом m 103 < z < 105 комптоновское рассеяние не устанавливает полного кинетического равновесия –> y-искажения Спектр реликтового излучения COBE/FIRAS Mather et al. (1994), Fixsen et al. (1996). Спектральные искажения: 1. -искажения ( || < 9·10-5) Источники энерговыделения 105 < z < 107, При hn << kT (Р-Д часть спектра) In ~ n3 0 = 160 ГГц 2. y-искажения (y < 1.5·10-5) Источники энерговыделения 103 < z < 105, уменьшение плотности фотонов низких частот, возрастание числа высокочастотных фотонов 3. Спектральные искажения (~10-8) Рекомбинация вещества, сверхравновесные фотоны, 900 < z < 7000, возрастание интенсивности РИ в определенных интервалах частот 4. Комптоновские искажения и эффект Сюняева-Зельдовича Рассеяние на электронах в эпоху реионизации, z < 103 Рассеяние на горячем газе (T~107K) в скоплениях галактик Сдвиг длинноволновых фотонов к коротким волнам Рекомбинация первичной плазмы Теория рекомбинации первичной плазмы, взаимодействие вещества и излучения в ранней Вселенной (основополагающие идеи): Дальнейшая детализация теории рекомбинации первичной плазмы с учетом разнообразных эффектов: • Я.Б. Зельдович, В.Г. Курт, Р.А. Сюняев (1968) • Я.Б. Зельдович и Р.А. Сюняев (1969, 1970) • П.Дж.Е. Пиблс (1968) десятки работ! (90-е – 2000-е годы) • С. Грачев, В. Дубрович (1991, 2005) • S. Seager, D. Sasselov, D. Scott (1999) • М. Бургин и др. (2003, 2006) • J. Chluba, R. Sunyaev (2006, ..., 2013) • W. Wong et al. (2006, 2008) • Е. Холупенко и др. (2006, ..., 2011) • и другие... Современные численные коды, воспроизводящие кинетику рекомбинации первичной водородно-гелиевой плазмы: Recfast, RICO, RecSparse, HyRec, CosmoRec, atlant, SPDCBR Рекомбинация первичной плазмы Вселенная однородна, изотропна, 900 < z < 7000 в целом нейтральна. Вселенная расширяется с хорошо известной скоростью. Барионная материя: H, He, примесь Li, D (менее 1%). Материя погружена в интенсивное однородное поле излучения, имеющее планковский спектр. Количество фотонов в 1.6·109 раз больше, чем барионов. 2500 K < T < 20000 K Trad = Te = Ti Ионизационная история Вселенной Время 900 < z < 7000 30 < z < 900 10 < z < 20 Кинетика рекомбинации водорода Время Затягивание рекомбинации водорода Время Сечение поглощения фотонов лаймановской серии водорода (и континуума) велико Поглощение нейтральным водородом квантов с энергией E > 10.2 эВ и последующее дробление на более низкоэнергичные кванты Избыток La-фотонов В конечном итоге концентрация нейтрального водорода необратимо увеличивается за счет двух каналов: • двухфотонных переходов 2s --> 1s • диффузии La-квантов по частоте в результате многократных рассеяний в расширяющейся среде (Вселенной). Необратимая рекомбинация водорода: два канала 2 3S 3P 2S H 2P L 1S 3D L красное смещение • Двухфотонные переходы 2s ↔ 1s • Выход L-фотонов из профиля линии в результате красного смещения необратимая рекомбинация 57% водорода после z ~ 1400 рекомбинировало через двухфотонный канал Рекомбинация водорода: необратимые переходы Совокупность избыточных по отношению к равновесному фону излучения фотонов Космологический рекомбинационный спектр водорода (и гелия) Ионизационная история и излучение рекомбинирующей плазмы H He+ He J. Chluba, R. Sunyaev (2009) Рекомбинационные спектры водорода и гелия J. Rubino-Martin, J. Chluba, R. Sunyaev (2008) Рекомбинационный спектр водорода В. Дубрович, Н. Шахворостова (2004) Линия La и двухфотонный континуум J. Rubino-Martin et al. (2006) Относительные искажения РИ Линии H, H, P Что это даст? Прямое наблюдательное свидетельство фазы рекомбинации плазмы Инструмент исследования Вселенной в эпоху рекомбинации (детали рекомбинационного спектра) Уточнение некоторых космологических параметров: • Температура (монопольная составляющая) • Красное смещение эпохи рекомбинации • Отношение плотностей барионов и фотонов • Концентрация первичного гелия Возможность “заглянуть” за поверхность последнего рассеяния, поскольку пик плотности излученных фотонов приходится на красное смещение z ~ 1300 — 1400 (для водорода), z ~ 1800 — 1900 (для HeI) и z ~ 6000 (для HeII) Как измерить? Для наблюдений можно выбрать любой участок неба (с минимальным вкладом различных космических источников) Сканирование спектра РИ по частоте в широком диапазоне Поиск не абсолютного сигнала, а разности I - B, т.е. “модулированного” сигнала с амлитудой I ~ 10 – 30 нК и / ~ 0.1 Отсутствие поляризации искомого сигнала Модуляционный фурье-спектрометр для диапазона 100 — 1000 ГГц (от 3 до 300 мкм) с разрешением R = /D ~ 10 Фоновое излучение R. Henry (1999) Спасибо за внимание!