Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://lukash.asc.rssi.ru/teaching/arkhipova/cosm_arkh2.pdf Дата изменения: Fri Nov 15 03:06:23 2013 Дата индексирования: Fri Feb 28 04:30:37 2014 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: черные дыры

?ГАИШ МГУ?
КОСМОЛОГИЯ

Наталья Архипова

АКЦ ФИАН


Лекция 1: Космологические модели

1. Радиоастрономия и космология 2. Космология с радиогалактиками 3. Реликтовое излучение


Радиоастрономический вклад в космологию

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Отождествление радиогалактик (1947-1951) Отождествление квазаров (1961) Подсчеты радиоисточников log N log S (1964-1997) Открытие реликтового излучения (1965, 1978) Коррекция теории образования LSS Апертурный синтез (1967-1974) Открытие пульсаров (1967-1974) Исследование двойного пульсара (1974, 1993) Открытие флуктуаций CMB (1992, 2006) Определение космологических параметров (2003)


Космологический диапазон радиоастрономии

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение


Тесты радиокосмологии

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Реликтовое излучение 1) Спектр мощности 2) Статистические свойства сигнала (гауссовость) Радиогалактики 1) Зависимость Log N - Log S ("(число источников плотность потока)") 2) Зависимость "размер - красное смещение" 3) Зависимость "плотность потока - красное смещение" 4) Гравитационное линзирование 5) Формирование крупномасштабной структуры 6) Возраст звездных систем 7) Формирования сверхмассивных ЧД на больших z 8) Поиск темной материи в гало Пульсары 1) Двойные пульсары - излучение грав. волн 2) Пульсарная сетка - регистрация грав. волн


Радиогалактики

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Радиогалактики реперы Вселенной Самая далекая радиогалактика: z=5.19 (van Breugel et al., 1999) Jim Condon: Все далекие радиогалактики есть в обзоре GB6 (6 см, 18 мЯн) (Gregory & Condon, 1991) Cамая далекая известная галактика z=8.55 ! Tвселенной=600 млн.лет! К настоящему времени составлены обширные каталоги радиоисточников, полные до величин потока в единицы миллиянских.


Зависимость Log N - Log S

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Подсч?ты числа N радиоисточников, имеющих плотность потока S на заданной частоте, попадающую в заданный интервал значений. Интегральная функция распределения N(S): N - число источников, имеющих плотность потока больше S. Можно показать, что в евклидовой модели Вселенной logN = -1.5logS : Пусть имеется популяция равномерно распредел?нных в пространстве радиоисточников с одинаковыми светимостями L, а R - расстояние, на котором источник с заданной светимостью L да?т плотность потока S: Тогда все источники, попадающие в сферу радиусом R, будут иметь плотность потока больше S. Число этих источников пропорционально объ?му сферы: N V R 3 . С другой стороны, S R -2 . Следовательно, N S -3/2 . То же соотношение оказывается справедливым, если источники имеют различные L, образующие некоторую функцию светимости (при определ?нных ограничениях на е? свойства).


Зависимость Log N - Log S

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение


Зависимость Log N - Log S

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Реально получаемые подсч?ты радиоисточников дают более крутой наклон зависимости logN-logS, от -1.85 до -2 (в зависимости от длины волны и от типов источников, вклю-чаемых в рассмотрение). Влияние различных эффектов на зависимость Log N - Log S : 1. Эволюция источников в прошедшие эпохи 2. Эффективное значение светимости зависит от z источника: излучение принято в одной полосе частот , а было испущено в другой /(1 + z ). 3. Красное смещение z приводит к уменьшению радиуса сферы, соответствующей данной величине S; следовательно, и N уменьшается. 4. В расширяющейся Вселенной источники в прошлом должны были располагаться теснее; поэтому, глядя в прошлое, мы так их и должны видеть, т.е. при малых S число N возрастает.


Открытие РИ

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Реликтовое излучение - фоновое излучение с планковским спектром с температурой в несколько градусов было предсказано Г.А. Гамовым в 1946 г. в предложенной им модели горячей Вселенной. Термин "реликтовое"был предложен И.С. Шкловским, т.к. это излучение представляет собой реликт, остаток от ранней стадии эволюции Вселенной. В 1964 г. А.Г. Дорошкевич и И.Д Новиков исследовали возможности наблюдательного обнаружения РИ и показали что при возможной температуре 1-5К РИ омжет быть уверенно обнаружено на длинах волн = 0.1 - 100см. И рекомендовали рупорный радиотелескоп лаборатории "Белл". Излучение было открыто в 1965 г. Пензиасом и Вилсоном на волне 7.5 см [Penzias A.A., Wilson R.W., ApJ, 1965, 142, 419] при наладке именно радиоантенны "Белл".


Спектр излучения РИ

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Реликтовое излучение фоновое излучение с планковским спектром, соответствующим температуре Tb = 2.7K (максимум в спектре на 1.5мм). В области спектра = 0.1 - 100 см ожидаемый фон РИ значительно превышает суммарный фон от радиогалактик, преобладающий в области более длинных волн, а также суммарный фон от инфракрасных звезд, который преобладает при < 0.1см.


Свойства РИ

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Наиболее точные измерения спектра РИ в области мм длин волн, вблизи максимума спектра, были сделаны на спектрометре в дальней ИК области, установленном на спутнике COBE.

73 Реликтовое излучение: Th = 2.a K max 300. Отклонение от планковского спектра по интенсивности не более 5 10-5 .


Рекомбинация водорода a 10-3 Tmatter = Th = T

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

При фотоны ионизуют вещество - тепловое равновесие: . Наблюдаемый микроволновый фон возник в эпоху рекомбинации, когда излучение отделилось от вещества и среда стала прозрачной. При этом планковский спектр фонового излучения сохраняет свою форму, но яркостная температура уменьшается обратно пропорционально масштабному фактору a(t):
T0 = Te

где Te - температура излучения в момент времени te , а T0 температура излучения в современную эпоху t0 . При этом
T0 =

a(te ) a (t 0 )

Учитывая, что рекомбинация водорода (в равновесных условиях, согласно уравнению Саха) происходит при Te 3000 K, для эпохи рекомбинации получим
ze

Te 1 + ze

Основная часть наблюдаемого фона поступает именно с этого красного смещения. Возраст 300000 лет. Вселенная становится прозрачной.

Te 3000 1100 T0 2.7


Наблюдаемая карта анизотропии РИ

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

До начала рекмобинации вещество и излучение находились в термодинамическом равновесии между собой, а затем излучение отделилось от вещества, и уровень флуктуаций РИ в настоящее время почти такой же как в эпоху рекомбинации. Поэтому флуктцации РИ в настоящее время отражают уровень флуктуцаций в барионном веществе на эпоху рекомбинации TT 10-6

Восстановленная карта анизотропии РИ (WMAP) с исключ?нным изображением Галактики, изображением радиоисточников и изображением дипольной анизотропии. Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета более холодные области.


Эксперименты по CMB

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Экспериментов по РИ больше 60! Самые известные из них: РЕЛИКТ-1 СССР, 19831984, открытие анизотропии реликтового излучения! COBE 1989-1993, Надежное обнаружение анизотропии РИ WMAP (2001-2011) лучшее определение космологических параметров к 2011г. PLANCK (2009-н.в.) Planck Legacy Archive (PLA)


Анализ данных CMB

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Регистрация: time odered data: T(t)=T(l,b) Пикселизация: map-making и осреднение данных в пикселах Разделение компонент Анализ статистики сигнала Анализ спектра мощности


Спектр CMBA

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Анализ карт распределения Tb реликтового фона основан на построении углового спектра неоднородностей. Распределение относительных флуктуаций яркостной температуры T /T0 рассматривается как случайное поле, заданное на поверхности сферы. Для этого поля можно выполнить разложение по сферическим гармоникам Ylm :
T (, ) = T0
l

alm Ylm (, ) ,
l =1 m=-l

Составляющие углового спектра Cl - компоненты разложения двухточечной корреляционной функции флуктуаций T /T0 , взятых в точках m и n, по полиномам Лежандра Pl (cos ):
C ( ) = T (m) T (n) ћ T0 T0 = 1 4


Cl Pl (cos ) .
l =1

Угловые скобки здесь означают усреднение по всевозможным направлениям m, n. Таким образом, величины Cl представляют собой мощность мультиполя порядка l в разложении функции T /T0 (, ) по сферическим гармоникам.


CAMB

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение

Спектр мощности реликтового излучения (распределение энергии по угловым масштабам, то есть по мультиполям. Спектр получен по данным наблюдений: WMAP (2006), Acbar (2004) Boomerang (2005), CBI (2004) и VSA (2004). The Code for Anisotropies in the Microwave Background (CAMB)


Параметры по CMBA

Космология Радиоастрономия и космология Радиоастрономия и космология Реликтовое излучение