Анотація до роботи:

Новосядлий Б.С. Великомасштабна структура та параметри космологічної моделі спостережуваного Всесвіту.–Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.02 – астрофізика, радіоастрономія. – Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена аналізу формування великомасштабної структури Всесвіту та визначенню параметрів космологічної моделі шляхом порівняння сукупності теоретично розрахованих характеристик великомасштабної структури із спостережуваними у широкому діапазоні масштабів і червоних зміщень. Для цього проаналізовано лінійну та нелінійну стадії розвитку випадкових гаусівських збурень густини і швидкості речовини та метрики простору-часу в багатокомпонентній моделі Всесвіту і отримано аналітичні вирази для розрахунку характеристик великомасштабної структури Всесвіту у найбільш загальній 11-параметричній моделі. Досліджено розвиток збурень концентрації іонів і електронів в області космологічних збурень густини баріонів в епоху космологічної рекомбінації. Визначено параметри LCDM космологічної моделі та встановлено довірчі інтервали їх значень. Встановлено верхні межі (на рівні достовірності 2s) значень амплітуди спектра потужності реліктових гравітаційних хвиль та масової густини нейтринної компоненти темної матерії. Розроблено феноменологічний опис просторового розподілу квазарів – залежність середньої просторової концентрації та двоточкової просторової кореляційної функції квазарів від червоного зміщення в LCDM моделях.

Дисертаційна робота є підсумком дослідження формування великомасштабної структури Всесвіту із скалярних збурень метрики простору-часу та густини і швидкості речовини, згенерованих в інфляційну епоху, та визначення усіх параметрів космологічної моделі шляхом співставлення теоретично передбачених характеристик великомасштабної структури із даними спостережувальної космології. Основні результати досліджень, представлених у дисертації, такі:

1. Із проведених досліджень лінійної та нелінійної стадій розвитку збурень густини і швидкості речовини та метрики простору-часу в багатокомпонентній моделі Всесвіту випливає, що елементи великомасштабної структури Всесвіту формуються в піках випадкового гаусівського поля збурень густини холодної темної матерії. Спектр потужності збурень концентрації таких піків у моделі LCDM3 добре узгоджується із спостережуваними спектрами, отриманими на основі просторового розподілу галактик та скупчень галактик. Функція мас та рентгенівської температури скупчень галактик у цій моделі теж не суперечить спостережуваним даним. Нелінійна стадія розвитку високих піків – зупинка розширення і колапс – описується сферично-симетричним колапсом у моделі з космологічною сталою. Приведені розрахунки частки сколапсованих піків різного масштабу на різних червоних зміщеннях демонструють процес формування великомасштабної структури у LCDM-моделі Всесвіту шляхом ієрархічного скупчування та узгоджуються із спостережуваними даними про розподіл квазарів, галактик та скупчень галактик за червоними зміщеннями.

2. Найбільш строгим тестом теорії космологічних збурень є спектр потужності флюктуацій температури реліктового випромінювання. На найбільших кутових масштабах (l10) його форма залежить тільки від спектрального індекса первісного (інфляційного) спектра, кривини 3-простору, значення космологічної сталої та внеску тензорної моди збурень. Положення акустичних піків у спектрі потужності флюктуацій температури реліктового випромінювання та співвідношення їх амплітуд є добрим індикатором вмісту баріонів, темної матерії та темної енергії (космологічної сталої). Визначені на їх основі відносні вмісти баріонів та темної матерії добре узгоджуються із їх визначеннями на основі інших методів: баріонів за вмістом гелію у низькометалічних областях HII та атомів дейтерію у міжгалактичному середовищі на основі стандартної моделі космологічного нуклеосинтезу, темної матерії на основі кривих обертання та моделей гало галактик, поля пекулярних швидкостей галактик в околі Місцевої групи, гравітаційного лінзування, співвідношення “видима зоряна величина – червоне зміщення” для наднових типу Іа та інших. Проблемою залишається узгодження вмісту баріонів, визначеного на основі сукупності космологічних даних, з його значенням, яке передбачає стандартна модель космологічного нуклеосинтезу за зоряним вмістом літію-7.

3. В результаті дослідження процесу космологічної рекомбінації в області адіабатичних збурень з масштабом, більшим за акустичний горизонт, виявлено, що амплітуди відносних збурень концентрацій іонізованого водню, гелію і вільних електронів в кілька разів більші за амплітуду збурень густини баріонної компоненти: для вільних електронів та іонізованого водню в 5 разів, гелію у 18 разів. На менших масштабах ефект замивається внаслідок осциляцій збурень густини і температури фотонно-баріонної плазми впродовж епохи рекомбінації. Виявлені відхилення відносних збурень концентрації іонів та електронів від збурення густини баріонної компоненти в епоху космологічної рекомбінації не відображаються безпосередньо на флюктуаціях температури реліктового випромінювання. Але вони зумовлюють “гофрованість” сфери останнього розсіювання теплового випромінювання за оптичною глибиною на масштабах, більших за акустичний горизонт: положення піка функції видимості в області таких збурень зсувається за червоним зміщенням на величину дz = -д_b / 3(z_dec + 1) , де z_dec – червоне зміщення сфери останнього розсіювання за відсутності збурень. Врахування цього ефекту дасть можливість точніше розраховувати анізотропію температури і поляризації реліктового випромінювання в рамках заданої космологічної моделі для співставлення їх із спостережуваними даними.

4. На основі сукупності даних про флюктуації температури реліктового випромінювання, отриманих в космічному експерименті WMAP, характеристики великомасштабної структури Всесвіту та вимірювань сталої Габбла, параметра прискорення та вмісту баріонної речовини визначено параметри Щ_Л = 0.736±0.065, Щ_m = 0.278±0.08, Щ_b = 0.05±0.01, h=0.68±0.085, у₈ = 0.73±0.08 та n_s = 0.96±0.015 (довірчі інтервали 95%), які добре узгоджуються із передбаченнями моделей раннього Всесвіту та їх прямими визначеннями астрофізичними методами. Показано, що ця модель найкращим чином апроксимує усю сукупність даних, включаючи і ті, які не використовувались у процедурі визначення. Таким чином, можна вважати, що в класі таких космологічних моделей із шістьма параметрами ця модель є найближчою до істинної моделі спостережуваного Всесвіту.

5. Найбільш оптимальне значення масової густини гарячої компоненти темної матерії близьке до нуля, Щ_н~ 0.002 . Це означає, що найбільш оптимальне значення маси спокою нейтрино співмірне з різницею мас, визначеною в експериментах з осциляціями нейтрино, m_нДm² 0.05 еВ. Нормування спектра потужності збурень густини за даними вимірювань флюктуацій температури реліктового випромінювання та використання даних спостережувальної космології від субгалактичних до ґіґапарсекових масштабів дозволило встановити верхнє обмеження на масову густину нейтринної компоненти темної матерії на 95% рівні достовірності: Щ_н 0.03. Це дає верхню межу на масу спокою реліктових нейтрино: m_н 0.3 еВ в припущенні, що m_нe m_нм m_нф m_н.

6. Порівняння розрахованого значення квадрупольної складової спектра потужності флюктуацій температури реліктового випромінювання, нормованого за амплітудою скалярної моди збурень, із отриманими в експериментах COBE і WMAP вказує на відсутність помітного внеску тензорної моди космологічних збурень, тобто відношення амплітуд тензорної і скалярної мод збурень T/S0. Використання усієї сукупності даних спостережувальної космології разом із даними про спектр потужності флюктуацій температури реліктового випромінювання, отриманими в космічному експерименті WMAP, дозволило встановити верхню межу значення амплітуди тензорної моди збурень – реліктових гравітаційних хвиль: T/S0.6 (95.4%) для моделей з вільним параметром нахилу спектра n_t. Для моделей з плоским спектром потужності гравітаційних хвиль (n_t = 0) чи інших, близьких до нього (n_t ~ n_s -1), вона ще втричі нижча: T/S0.18 (95.4%).

7. Припущення про квазари як ранню короткочасну стадію еволюції масивних галактик, добре пояснює характер еволюції амплітуди кореляційної функції та зміну їх концентрації із червоним зміщенням в класі LCDM-моделей. Їх кількісне узгодження в рамках LCDM моделі із визначеними параметрами дає можливість визначати фізичні параметри областей квазароутворення.