Моделирование крупномасштабных потоков вещества во Вселенной и спектры первичных возмущений Новосядлый, Богдан Степанович

Введение к работе

т.';ал і .':_ .стертацкй {

Актуальность работы. Проблема образования крупномасштабной «груктуры Вселенной: и еа элементов является одной из важнейших в :овремвнной астрофизике и космологии. Распределение галактик и их жоплений в ' пространстве дает основную информацию о рупномесштабкой »структуре Вселенной. Ко совпадает ли >аспределение. барионного вещества-с распределением скрыто, j и если вт, то как такое различна зависит от масштаба - пока неизвестно. связи с. этим вакными являются данные о крупномасштабных потоках алактик, так как они могут быть индикаторами неоднородного аспределеняя скрытой (доминирующей по.плотности) компоненты.

Открытый в последние года (1-7] когерентный сходящийся к зкоторому центру, получившему- название Великий аттрактор, рунномасштабный поток галактик, оказался еще одним очень жестким эстом космологических моделей [8]. Происхождение таких структур, і распространенность и возможности ее изучения - актуальная хзбдема астрофизики сегодняшнего дня. Моделирование эволюции іких структур с целью изучения слабо- и сильнонелинейных стадий с развития - один из подходов к решению этой проблемы.

Дополнительные данные по крупномасштабным пекулярным-скоростям тактик позеоляют продвинуться вперед в решения 'обратной задачи кмюлогии'- восстановления начального спектра мощности возмущений > всей совокупности наблюдательных характеристик крупномасштабной руктуры Вселенной. Ее решение прояснило бы природу скрытой шоненты и физические процессы в ранней Вселенной, когда такой зктр формировался. Пока-что только нэмечеш пути к решешпо этой' дачи и сделаны первые попытки такого восстановлений (9-12),

Очевидна поэтому необходимость развития подходов к реиениа этс2 задачи уточнения по мэре поступления новых наблюдательных дашшх s углубления теоретических схем образования структуру. .

Таким образом, численное моделирование,- крупномасштабнш потоков вецества в разных моделях Вселенной,. анализ их связи с первичным спектром возмущения к его восстановление с учетом даншо по Великому аттрактору является актуальной задачей а проблеме образования крупномасштабной структуры Вселенной.

Цель работы. Для решений перечисленных проблем в диссертанта поставлены следущие задачи:

1. Исследовать ранние' и поздние'. этзпы эволюции' сферически' симметричных адиабатических возмущений плотности и скорості вещества в двухкомпонентной (бариош и бесстолкновительші частшщ) фрядмановской Вселенной с- доминированиэи скрытог* вещества и нестационарной кинетикой радиационных - процессов ': бардащой компоненте. ' . . ,. . ,, '--„''

2. с помощью численной модели исследовать "эволщщз . пика гауссовского поля возмущений плотности, объясняющих наблюдаемо падение галактик на Великий.-аттрактор. , Оценить ' веррятност реализации таких пиков в разных моделях .Вселенной..-:

3. Проанализировать требования к спектру мощности '.возмущеня плотности вещества с, точки зрения,cooTBeTCTBwi .предсказываемых наблюдаемых характеристик крупномасштабной, структуры Вселенной учетом данных го Великому аттрактору. ':.;' '':.; .',>,-

4. Проанализировать влияние возмущений плотности'; скорости гравитационного потенциала, ; которое,-'; приводят к образован! объектов типа Великого аттрактора, ва -анизотропию . температу} реликтового излучения.. -, -:<. :^:-:У,--і; "'.'iV/- ' -^: " ':':'."' і- '''.-'".' -.

Научная новизна работы. Представляемая к . защите работа является одним из первых теоретических исследований обнаруженного недавно крупномасштабного потока галактик - Великого аттрактора. Предложено объяснение этого явления развитием крупномасштабного пика гауссовского поля возмущений плотности, найдены его наиболее вероятные параметры. Исследованы все этапы эволшки таких пиков -от ранних релятивистских стадий (в разных системах отсчета* и на языке инвариантов тензоров Римана и Вейля) до поздних наклейных с многопотоковым режимом движения в'Оесстолкновительной компоненте и генерацией.ударной волны в барионной. Проанализированы возможности эбнаружения таких пиков на сфере последнего рассеяния, по анизотропии температура реликтового излучения и в окрестностях Местной группы галактик методами оптической и рентгеновской астрономии. Оценена вероятность их реализации в различных моделях деленной и показано, что явление Великого аттрактора является [рвым чувствительным тестом космологических моделей.

Построен спектр мощности возмущений плотности, согласующийся с 'аблюдагельдами характеристиками крупномасштабной структуры селенной, современными ограничениями на анизотропию температуры еликтового излучения и существованием объектов типа Великого ттрактора.

Научная и практическая ценность работы. Полученные в яссертащп' результаты могут быть использованы как при составлении зблвдателъшх програш исследований крупномасштабной структуры деленной, так и в широком круге теоретических исследований - от шерацил возмущений до. поздних нелинейных стадий их эволюции.

Важным на современной « этапе исследований является жазательстЕо возможности объяснения наблюдательных данных по і дикому аттрактору высокоэшлитуднш скалярным возмущением

плотности и указанием, в связи с этим, на требования к спектру первичных возмущений.

Предложенный в работе СМ+2-спектр, удовлетворяющий всем наблюдательным тестам, может быть испальзован- для исследования природа скрнтой массы или физики, ргнней Вселенной, связанной с теорией элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий.

Предложенная, методика рассчета параметра байсинтв, приведенные ' в работе результаты численных расчетов характеристик крупномасштабной структуры в разных моделях Вселенной могут использоваться как основа при исследовании процессов образования галактик и других элементов структуры.

Составленная программа для численного моделирования нелинейной
эволюции сферически-симметричных возмущений может использоваться
для решения различных задач астрофизики - от изучения эволюции
компактных скоплений галактик до шаровах звездных скоплений, и
Ь_а-облаков. . -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСЗШЕ' НА ЗІЩЙТУ

1. Найдены решения релятивистских уравнений. для эволюции
сферически-симметричных адиабатических возмущений . .в разных
системах отсчета, преобразования мвкду ними,, а ' также
проанализировано поведение возмущений инвариантов тензоров Римана

и Вейля на ранней стадии для ультрарелятивистской среды.

2. Построена численная . модель поздних стадий эволюции
сферически-сі'ммбтричішх возмущений плотности'и скорости вещества в
двухкомпонентной модели' Вселенной с доминированием' массивных
бессголкновительшх частиц и нестационарной кинетикой радиационных
процессов.. Модель'. -.' позволяет исследовать нелинейную ' стадию
развития возмущений, когда бесстолкновительная компонента движется

в многопотоковом режиме, а в барионной сгенерирована ударная волна» .'''. ''

3. Найдены профили начальных возмущений плотности, скорости и гравитационного "потенциала, которые приводят к ' образованию объектов типа Великого аттрактора. Промоделирована эволюция таких возмущений и показано, ,. что вблизи центра они находятся на нелинейной стадии , своего развития. Те из них, которые имоли начальную 'амплитуду . возмущения плотности большую некоторого критического значения (6₀21,5/(г +1)) к настоящему времени вблизи центра развиваются в многопотоковом режиме в бесстолкі витальной компоненте и с сгенерированной ударной -волной в газе. Возможные наблюдательные проявления таких объектов - рентгеновское-излучение, разреженной плазмы^- с температурой ~1(Рк и. большие пекулярные скорости галактик вблизи центра.

.4. Проанализирована возможность обнаружения возмущений, которые приводят к явлениям типа Великого аттрактора по вызываемой ими .анизотропии температуры реликтового излучения. Показано, что такие , возмущения, находящиеся ' вблизи сферы последнего рассеяния, приводят к " образованию 'горячих* и 'холодных' пятен в распределении температуры реликта. Амплитуда таких пятен - ДГ/У > 4 10~К.' их масштаб ~30' . Наибольший вклад в ЬТ/Т дает адиабатический эффект - его амплитуда ЬТ/Т»1СГ⁴,. максимальный вклад от эффекта Допплера <*3 Ю'\ Сакса-Вольфа «2 Ю .

5. Показано, что во всех моделях имеются возмущения необходимого
масштаба т амплитуда для образования объектов типа Великого
аттрактора, но вероятность их реализации существенно различается в
разных моделях. В СШ-модели такие объекты практически не
образуются, а в ИЭД-моделях с ^ремя сортами массивных нейтрино их
уже так много, что это противоречит наблюдениям.

6. Построен спектр, для которого рассчитанные корреляционные

функции галактик, их скоплений, а также крупномасштабные потоки галактик соответствуют наблюдаемым, и который согласуется с совремашшмя ограничениями на анизотропию температуры реликтового излучения. В плоской фридмановской Вселенной 'с таким спектром в пределах горизонта находится «70⁴ "объектов . типа "Великого аттрактора, среднее расстояние мевду ними »400 '?Г¹ Мпк. Такой спектр близок к СУШ-спектру на масштабах k~¹^h~-UnK, к~¹^1(Р h~ Мпк, но имеет дополнительную .мощность. a_z«0.2 в области . 3&С 1Сг Л Мпк. Амплитуда спектра и.его наклон в этой области... фиксируются . наблюдательными характеристиками крупномасштабной структуры с' точностью до их определения. Показано, что понижение, верхнего предела эксперимента «Холод» на масштабах а 2 в два раза уже позволит зарегистрировать такой спектр. <,

Апробация работа. Основные „результаті:, изложенные в диссертации,' докладывались на семинарах отдела релятивистской астрофизики ИКИ АН СССР (1989, 1990,,1991), на астрофизическом , семинаре ФИАН СССР (1990), на семинаре по гравитации и космологии км. Л.П. Зельканова (ГАШ, Д99І), на семинарах астрономической обсерватории Львовского университета, . на VII-й' Всесоюзной, гравитационной конференции (Ереван, 1988), на международном совещании 'Космология и релятивистская астрофизика' (Тыравере, 1989), на- международном совещании, 'Сверхскспления.. и .скопления галактик и сопровоздащие эффекты* ,(Сесто-Мосо, 1990),.. -..,- ' '.'..'''.;:'.

Объем и структура диссертации. /Диссертация Ч состоит.,,..из введения, трех .глав, заключения ; -двух приложений и списка . литературы.'Содержат 124 страницы 'машинописного текста, 5, таблиц,, 22 рисунка; список литературн включает 158 .наименований, '-[;,,;:.