Рекомбинация первичной плазмы — процесс, приводящий в итоге к образованию нейтральных атомов из ионов и свободных электронов вследствие уменьшения температуры при космологическом расширении. Этот процесс имеет три ярко выраженных этапа, при которых существенно изменяется доля свободных электронов: (1) рекомбинация гелия Helll—>HeII (z ~ 5000 — 7000), (2) рекомбинация гелия Hell—>Hei (z ~ 1500 — 3000), (3) рекомбинация водорода НИ—>HI (z ~ 900 — 1600), где z — космологическое красное смещение. Поскольку других нуклидов (D, :!Не, Li, В и пр.) в первичной плазме существенно меньше, чем ХН и 4Не (< Ю-4 но числу частиц), обычно рассматривают рекомбинацию именно водородно-гелиевой плазмы [1, 2, 3]. Рекомбинация прочих элементов рассматривается в отдельно взятых случаях для специальных задач, таких как, например, влияние рекомбинации лития на анизотропию микроволнового фонового излучения ([4] и ссылки там же), формирование первичных молекул ([5] и ссылки там же) и др.
I Актуальность темы диссертации.
Рекомбинация первичной плазмы оказывает существенное влияние на формирование крупномасштабной структуры Вселенной и’анизотропии реликтового излучения (т.е. малых (Ю-5) флуктуаций температуры РИ на различных угловых масштабах), поскольку именно этот процесс определяет эпоху т.н. просветления Вселенной и период отделения излучения от вещества. Высокая концентрация свободных зарядов (прежде всего электронов) на ранних этапах развития Вселенной (при красных смещениях г > 1070) приводит к тому, что оптическая толща в этот период чрезвычайно велика и эти эпохи фактически не доступны наблюдениям. При этом излучение «сцеплено» с веществом и плазма представляет собой фотонно-барионную жидкость, скорость звука в которой равна с//3. Столь высокая упругость среды эффективно препятствовала падению баринной материи в гравитационные «ямы», созданные темной материей. Рекомбинация означает связывание свободных зарядов, что позволяет реликтовому излучению (начиная с некоторого момента, который и называется «эпохой просветления Вселенной») распрострастраняться свободно, практически не взаимодействуя с веществом. При этом скорость звука уменьшается до значений, соответствующих значениям порядка у/квТ/тпнУменьшение упругости среды является необходимым фактором роста возмущений плотности барионной компоненты первичной среды и способствует образованию первичных гравитационно-связанных систем, из которых впоследствии формируются галактики и скопления галактик. Таким образом, исследование рекомбинации чрезвычайно важно для понимания физики формирования крупномасштабной структуры Вселенной и анализа экспериментальных данных по анизотропии РИ.
Существенный прогресс в наблюдениях анизотропии РИ, достигнутый во второй половине 1990;х годов (BOOMERANG, WMAP), привел к необходимости учета ряда тонких эффектов, которые могут повлиять на рекомбинацию первичных водорода и гелия на уровне 0.1 — 1% [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. Рассмотрению ряда таких эффектов посвящены первые две главы диссертации.
В процессе рекомбинации первичной плазмы формируется неравновесное ре-комбинационное излучение, которое искажает (планковский) спектр РИ. Относительная величина этих искажений в рэлей-джинсовской части спектра РИ, доступной наблюдениям (т.е. не зашумленной радиоизлучением галактик) не превышает 3 • Ю-7, что соответствует абсолютным возмущениям температуры менее 1 мкК. Эта величина соответствует предельным значениям чувствительности современной аппаратуры, поэтому в настоящее время наблюдение этих спектральных искажений невозможно. Тем не менее, бурный прогресс в области создания измерительной техники, связанный с решением экспериментальных задач по наблюдению анизотропии РИ (где также приходится иметь дело с малыми возмущениями температуры величиной 1 — 100 мкК), позволяет надеятся, что эксперименты по наблюдению искажений спектра РИ, обусловленных рекомбинацией первичной плазмы, станут возможны в ближайшие десятилетия. Подобные эксперименты станут независимым космологическим тестом и позволят уточнить информацию о значениях таких космологических параметров как плотность барионов и доля гелия в первичном хим. составе Вселенной. Рассмотрению вопросов, связанных с формированием рекомбинационного излучения, посвящена третья глава диссертации.
II Цели работы.
1. Исследование влияния перепоглощения Lya квантов водорода, «покрасневших» в результате космологического красного смещения, на кинетику переходов HI 2s<->ls (т.н. эффект обратной связи) и, тем самым, на кинетику рекомбинации первичного водорода.
2. Исследование влияния перепоглощения резонансных HI (n ±1) 1 водорода, «покрасневших» в результате космологического красного смещения, на кинетику переходов HI п <-«• 1 (эффект резонансной обратной связи) и, тем самым, на кинетику рекомбинации первичного водорода.
3. Исследование влияния нейтрального водорода, поглощающего резонансные кванты гелия Hei, на кинетику рекомбинации первичного гелия Hell —> Hei.
4. Расчет спектра излучения, возникающего при связанно-связанных переходах в атомах водорода в течение его рекомбинаци.
5. Расчет спектра излучения HI Lya, обусловленного переизлучением резонансных квантов Hei, рождающихся при рекомбинации гелия Hell—>Не1.
III Новизна работы.
1. Впервые рассмотрено влияние «покрасневшего» рекомбинационного HI Lyа излучения на скорость двухквантовых 2s—>ls переходов в водороде (эффект обратной связи). Рассчитан фактор подавления скорости 2s—>ls переходов, обусловленный этим эффектом. С использованием этого фактора рассчитана поправка к степени ионизации первичной плазмы, обусловленная эффектом обратной связи.
2. Впервые аналитически рассмотрено влияние «покрасневшего» резонансного излучения HI (n + 1) —> 1 на скорость переходов HI п 1 и рассчитаны соответствующие факторы подавления.
3. Получена приближенная формула для вероятности «гибели» резонансных фотонов при поглощении в континууме с учетом частичного перераспределения по частоте и комбинационного рассеяния. Данная формула применена для расчета скорости нескомпенсированных резонансных переходов в гелии Hei, обусловленной поглощением резонансных квантов Hei нейтральным водородом. С учетом этого эффекта численно рассчитана рекомбинация гелия Hell—>Не1.
4. Рассчитан спектр рекомбинационного излучения, вызванного связанно-связанными переходами, происходящими в атомах водорода между уровнями с большими значениями главных квантовых чисел п < 160 в процессе рекомбинации первичной плазмы.
5. Получено аналитическое выражение для вероятности излучения фотона в заданной линии атома водорода (т.н. матрица КПД переходов).
6. Впервые рассчитан спектр излучения HI Lyct, обусловленного переизлучением резонансных квантов Hei, рожденных при рекомбинации гелия Hell—>HeI.
IV Достоверность научных результатов.
Результаты диссертации получены аналитически или путем численного моделирования. Их достоверность подтверждается использованием адекватных математических и численных методов в рамках физически разумных приближений. Результаты всех расчетов хорошо согласуются с результатами численных расчетов других научных групп [6, 15, 16, 10, 13, 12, 17].
V Практическая значимость работы.
Результаты первой и второй глав диссертации необходимы для корректного анализа экспериментальных данных по анизотропии РИ от будущего спутникового эксперимента Planck. Результаты третей главы диссертации могут быть полезны при планировании экспериментов по наблюдению спектральных искажений РИ, обусловленных рекомбинацией первичной плазмы.
VI Основные положения, выносимые на защиту.
1. Предложен метод расчет влияния «покрасневших» рекомбинационных Lycv-квантов водорода на скорость переходов HI 2s<->ls (т.н. эффект «обратной связи»). Произведены расчеты кинетики рекомбинации первичного водорода с учетом этого эффекта с использованием оригинального вычислительного кода.
2. Предложен метод учета влияния нейтрального водорода на кинетику рекомбинации Hell—"Hel. В рамках упрощенной («трехуровневой») модели получено кинетическое уравнение, описывающее рекомбинацию Hell—>HeI с учетом этого эффекта, и произведены соответствующие численные расчеты рекомбинации Hell—>HeI с использованием оригинального вычислительного кода.
3. С использованием оригинального вычислительного кода рассчитаны искажения спектра реликтового излучения, вызванные связанно-связанными переходами, происходящими в атомах водорода между уровнями с главными квантовыми числами п < 160 в процессе рекомбинации первичной плазмы. Получено аналитическое выражение для вероятности излучения фотона в заданной линии атома водорода (т.н. матрица КПД переходов).
4. Построена модель формирования излучения HI Lycv, обусловленного рекомбинацией Hell—>HeI, и произведен расчет спектра этого излучения с использованием оригинального вычислительного кода.
VII Апробация работы и публикации.
Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период с 2001 по 2008 гг. и изложены в 6 печатных работах (включая 4 статьи в реферируемых журналах, в скобках указан вклад автора):
1. Холупенко Е. Е., Иванчик А. В. и Варшалович Д. А., Искажение спектра РИ, связанное с рекомбинацией первичной водородной плазмы. // препринт ФТИ 1758 (2002) (формулировка математической модели, проведение аналитических и численных расчетов, анализ результатов и подготовка препринта).
2. Е.Е. Kholupenko, A.V. Ivanchik, and D.A. Varshalovich, CMBR distortion concerncd with recombination of the primordial hydrogen plasma. // Gravitation & Cosmology, 11, 161 (2005) (формулировка математической модели, проведение аналитических и численных расчетов, анализ результатов и подготовка статьи).
3. Холупенко Е. Е. и Иванчик А. В., Двухфотонные переходы 2s<-«ls в ходе рекомбинации водорода во Вселенной // Письма в Астрономический Журнал, 32, 883 (2006) (участие в постановке задачи, формулировка математической модели, проведение аналитических и численных расчетов, анализ результатов и подготовка статьи).
4. Е. Е. Kholupenko, А. V. Ivanchik and D. A. Varshalovich, Rapid Hell—>HeI recombination and radiation arising from this process. // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 378, L39 (2007) (участие в постановке задачи, формулировка математической модели, проведение аналитических и численных расчетов, анализ результатов и подготовка статьи).
5. Холупенко Е. Е., Иванчик A.B. и Варшалович Д. А., Космологическая рекомбинация гелия Hell—> Hei // тезисы всероссийской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра 2007», Москва, 2007 (участие в постановке задачи, формулировка математической модели, проведение аналитических и численных расчетов, анализ результатов и подготовка текста тезисов).
6. Холупенко Е. Е., Иванчик A.B. и Варшалович Д. А., Рекомбинация первичной гелиевой плазмы Hell—>-HeI с учетом влияния нейтрального водорода. // Письма в Астрономический Журнал, 34, 803 (2008) (участие в постановке задачи, формулировка математической модели, проведение аналитических и численных расчетов, анализ результатов и подготовка статьи).
Результаты диссертационной работы были представлены:
На международных конференциях:
1. COSMION 2004, Россия, С.-Петербург, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, устный доклад «CMBR distortion concerned with recombination of the primordial hydrogen plasma.», E.E. Kholupenko, A.V. Ivanchik, and D.A. Varshalovich.
2. Workshop on «The Physics of Cosmological Recombination», Germany, Garching, MPA, 2008, устный доклад «Effect of Resonant Re-absorption FeedBack during cosmological recombination of hydrogen», E.E. Kholupenko, A.V. Ivanchik, and D.A. Varshalovich.
На всероссийской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра 2007», Россия, Москва, ИКИ, 2007, устный доклад «Космологическая рекомбинация гелия Hell—>HeI», Холупенко Е. Е., Иванчик A.B. и Варшалович Д.А.
На семинарах сектора теор. астрофизики ФТИ им. А. Ф. Иоффе, на Низкоразмерном семинаре ФТИ им. А. Ф. Иоффе, а также на конкурсах работ молодых ученых ФТИ им. А. Ф. Иоффе в 2005 и 2006 годах.
VIII Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 105 страниц печатного текста, 40 рисунков, 3 таблицы и список литературы, включающий 88 наименований.
Заключение
.
В представленной диссертации рассмотрен ряд эффектов, оказывающих влияние на кинетику рекомбинации первичной плазмы (главы 1, 2), а также рассмотрено формирование искажений спектра РИ, обусловленных рекомбинацией первичной плазмой (глава 3). Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. На примере обратной связи Lycc => 2s—>ls показано, что обратные связи оказывают влияние на кинетику рекомбинации на уровне около 1% для эпохи последнего рассеяния (z = 1050 — 1100). Таким образом, учет эффектов обратных связей существенней для анализа экспериментальных данных по анизотропии РИ от будущего эксперимента Planck.
2. Поглощение резонансных квантов Hei нейтральным водородом оказывает существенное влияние на кинетику рекомбинации Hell—>Не1. В эпоху г ~ 1750 относительное изменение количества свободных электронов по сравнению с моделью без учета влияния нейтрального водорода составляет около -3%. Таким образом, учет влияния нейтрального водорода на кинетику рекомбинации Hell—>HeI существенней для анализа экспериментальных данных по анизотропии РИ от будущего эксперимента Planck для мультипольностей I > 1500.
Использование аналитического подхода (развитого в диссертации) для описания поглощения резонансных квантов Hei нейтральным водородом позволяет воспроизвести результаты расчетов многоуровневых кодов [12] и [16] с относительной точностью не хуже 0.1%.
3. Относительная величина искажения РИ в диапазоне 1 — 100 ГГц не превышает 3 ¦ Ю-7. Варьирование Пь показывает, что искажение температуры прямо пропорционально плотности барионной материи.
4. Максимум интенсивности рекомбинационного излучения Hl Lyct, обусловленного рекомбинацией Hell—>Не1 находится в диапазоне частот 1100 — 1500 ГГц и составляет около Ю-24 эрг-см~2с1стер1Гц-1.
В заключение автор хотел бы выразить благодарность своим соавторам и научным руководителям Александру Владимировичу Иванчику и Дмитрию Александровичу Варшаловичу, без которых работа автора в области физики рекомбинации первичной плазмы и реликтового излучения, а также написание этой диссертации были бы невозможны.
Благодарю всех сотрудников Сектора теоретической астрофизики за помощь в работе над диссертацией и интересные дискуссии по различным астрофизическим вопросам, которые помогли мне лучше понять суть изучаемых мною вопросов. Особую благодарность за техническую поддержку хочу выразить Андрею Игоревичу Чугунову, Юрию Александровичу Уварову, Александру Михайловичу Красилыци-кову, Петру Сергеевичу Штернину и Дмитрию Петровичу Барсукову.
Благодарю Рашида Алиевича Сюняева и Иенса Хлубу за интересные обсуждения физики космологической рекомбинации и предоставленные для сравнения результаты расчетов.
Благодарю Виктора Константиновича Дубровича и Михаила Семеновича Бур-гина за обсуждения вопросов о формировании и эволюции неравновесного излучения, связанного с рекомбинацией первичной плазмы.
Благодарю моих родителей Евгения Яковлевича и Елену Анатольевну Холу-пенко, мою жену Татьяну Сергеевну Холупенко и всю мою большую семью, которые не сомневались, что эта диссертация все-таки будет закончена и поддерживали эту уверенность во мне.
Особую благодарность выражаю моему дедушке Анатолию Ивановичу Они-щенко, который воспитал во мне тягу к естественным наукам, в особенности к физике космоса.
