Введение к работе
Актуальность тег.-:м
Одним из саны?: важных .источников информации об ионизационном и тепловом режиме космической плазмы и характере ее неоднородностсй является фон микроволнового реликтового излучения (РИ), который формируется на стадии термодинамического равновесия вещества и излучения и распространяется от поверхности последнего рассеяния до нас практически без изменений. Форма спектра» степень анизотропии н поляризации РИ позволяет получить информацию» практически обо всех важнейших космологических параметра", включая современную. безразмернуь; плотность псе;: форм материн (Q), безразі^ерную плотность барнонов (Qn), темп хаб-бловского расширения (h), .безразмерную плотность, соответствующую космологический постоянной (Q.A), амплитуду fi спектр начальных, возмущений, ионизационную историю Вселенной.
Глобальность задач, стоящих перед совремегаїоіі космологией, з сочетания с разработкой тонких, методов радиофизического эксперимента вывело изучение спектра, анизотропии и поляризации РИ на передний крап на-З'пных исследований.
Важным итогом многолетних наземных и спутянказьк эксперпмен-. топ явилась констатация следующих выводов.
Данные ультракрпеного фотометра (FIRAS), полутниме п рамках программы СОВЕ [1 *], показывают, что с точностью 99.9% спектр РИ .«питается: чернотельньш с температурой 2.72310.002 К.
Важнейшей характеристикой отклонения спектра от равновесной фор-ми является указанна так называемы* у н п параметров [2*], описывающих уровень энерговмделеннй й космической плазме в зпоху с красным смещением z<108. По данным СОВЕ [I*], ограничения, накладываемые на уровни этиг параметров, такопы : jy| <1.5-10~5, j«i0| <9-I0"s (с95% уровнем до-
стоверности).
Следующей важнейшей характеристикой РИ является степень его аниз гропии. С исследованиями анизотропии РИ связывается возможность р шения важных проблем - идентификации характеристик начальных зс мущений метрики, плотности и скорости материи, необходимых для обр зования гравитационно-связанных структур на современном этапе зболі ции Вселенной [3*], определения параметров космологических модел [4*], ионизационной истории Вселенной [5*]. В инфляционных космолої ческих моделях анизотропия распределения температуры РИ на небесн сфере является двумерным случайным гауссовским полем. Свойства г добных полей подробно изучены в работах по статистической радиофи: ке[6*].
Исследования анизотропии РИ ведутся в настоящее время более 20 зі периментальными группами [7*]. Уровень анизотропии лежит в предех от 0.5 10"5 до 2 10"5 в различных угловых диапазонах. Однако, соврем< ные эксперименты еще далеки до установления точных пределов анизот] пии РИ, так как соотношение шума к сигналу в них достаточно ъ&т (~1). Поэтому требуются дальнейшие экспериментальные исследован которые соединят в себе высокую чувствительность, широкий частоти диапазон и высокое угловое разрешение. Таким требованиям удовлет ряют космические проекты третьего поколения - MAP (ESO), PLA1 (ESO;, Генетический код Вселенной (САО РАН).
Шум, галактические и экстрагалактические неразрешенные источни атмосферные помехи и др. искажают спектр первичной анизотропии 1 Поэтому, одной из важных задач является развитие новых методов вь ления первичного сигнала из эашумленных экспериментальных данн Решению именно этой задачи посвящены две главы настоящей диссер цнонной работы. Заметим, что развитые в этих разделах методы приме мы при планировании, проведении и обработке данных спутниковых : пернментов по поиску аншотролим и поляризации РИ. Они могут с yi
)М применяться при обработке радиосигналов, полученных системами
санирующего типа как в радио, так и в оптическом и ИК-диапазонах.
Наряду с анизотропией, существует еще одна важная характеристика
іспределения РИ на небе, содержащая дополнительную информацию о
эошлом Вселенной, - это поляризация РИ.
Формирование и свойства спектра поляризации РИ неоднократно ана-
гзировались в литературе [8*-9*j. Поле поляризации содержит больше,
іформации, чем поле анизотропии, так как оно является комбинацией
іух случайных независимых гауссовых полей. Корреляционная функция
оксовых параметров поляризации Q и U может быть использована для
зависимого тестиропания догалактических неоднородностей космн-
ской плазмы в ранней Вселенной [10*]. Как и для анизотропии, спектр
>ляризации РИ, предсказываемый в инфляционных моделях, коренным
(разом отличается от спектра в моделях дефектов [11 *]. Дополнительная
[формация о поляризации РИ усилит ограничения, накладываемые на
смологнческие параметры 12*] и, таким образом, позволит точнее их
іределить. Измерение поляризации РИ позволит определить динамику
AT комбинации, отделить вклад возмущений плотности в анизотропию —
вклада гравитационных волн. Наблюдения поляризации на больших новых масштабах могут служить важным тестом физических теорий эле-нтарных частиц.
Таким образом, данные о поляризации РИ представляют чрезвычайную жность как для идентификации уровня шумов в детектируемых сигналах, к я для выявления параметров космологической модели. Актуальность пения этих задач требует детализации моделей физических процессов рмирования анизотропии и поляризации РИ и развития новых матема-ческих методов обработки данных экспериментов, представляющих не-"шенный интерес не только для астрофизических, но и для радиоастро-мическич и радиофизических исследований.
Цель работы
Целью данной диссертационной работы является:
-
Развитие методов корреляционного анализа полей анизотропии и поляризации РИ.
-
Реализация метода фильтрацин карт анизотропии и поляризации РИ, направленного на повышение взаимных корреляций этих полей.
-
Разработка новых методов исследования глобальной топологии полей анизотропии и поляризации РИ, направленных на обнаружение негауссовых шумов в первичном сигнале, применительно к возможностям спутниковьг. экспериментов по поиску флуктуации этих nojwii.
-
Исследование локальной топологии и статистических закономерностей распределения поля поляризации в окрестности высоких изолированных локальных максимумов анизотропии РИ.
-
Получение наблюдательных ограничений на амплитуду сверхкрупномасштабных неоднородностей в распределении вещества ь о Вселенной.
Научная новизна
-
Впервые было показано, что для изучения корреляционных свойств полей анизотропии и поляризации РИ с 90% точностью можно ограничиться статистическим анализом лишь одной реализации карт этих полей.
-
Впервые был предложен метод фильтрации карт анизотропии и поляризации РИ, приводящий к повышению взаимных корреляций этих полей.
-
Впервые было показано, что кластер-анализ поля поляризации является эффективным методом обнаружения негауссовых шумов в первичном сигнале.
-
Впервые аналитически и численно исследована локальная структура поля поляризации в окрестности високій изолированных пиков анизотропии РИ,-
-
Впервые была рассмотрена и изучена функция взаимной корреляции ло-
калыгых максимумов анизотропии и поляризации РИ. 6. Впервые получены ограничения на амплитуду СЕерхкрупномасштабнои неоднородности распределения вещества во Вселенной.
Научная н практическая ценность диссертации определяется решением
следующих теоретических задач.
1. развиты методы исследования глобальной топологаи карт анизотропии распределения температуры и поляризации РИ на небесной сфере - пер-коляция и кластер-анализ. Показано, что эти методы весьма эффективны для обнаружения негауссовых шумов в первичном сигнале анизотропии и поляризации РИ.
,2. Разработан метод фильтрации карт анизотропии и поляризации РИ, приводящий к повышению взаимных корреляций этих полей.
|3. развиты аналитические и численные методы анализа локальной структуры поля поляризации в окрестностях высоких ігзолнрованиьіх пиков анизотропии.-
4V Получены ограничения, накладываемые на уровень флуктуации — е
масштабах, превышающих современный космологический горизонт.
5. Разработан пакет прикладных программ для генерации и исследования
карт полей анизотропии и поляризации FH.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Разработан и исследован метод генерации карт, на основании которого изучены статнспгческне свойства полей анизотропии и поляризации РИ. Исследована зависимость авто- и кросскорреляционкых' фугшций анизотропии я поляр\гзации от объема выборки. Показано, что корреляционные функции, построенные но единичной реализации карт анизотропии и поляризации, отличаются от усредненных по ансамблю в пределах не более 10% в наиболее важном для экспериментов угловом диапазоне
[0*,Г]..
-
Предложен метод фильтрации карт анизотропии распределения температуры и поляризации РИ, направленный на подавление длинных мод б анизотропию и поляризацию РИ. Показано, что такая фильтрация видоизменяет кросскорреляционную функцию анизотропии и поляризации, приводя к повышению корреляций ка масштабе 1248'.
-
Разработан метод совместного кластер-анализа карт анизотропии и поляризации РИ как в отсутствии, так и при наличии шумов негауссовоц природы, имитирующих фон помех. Показано, что темп кластеризации экстремумов полей анизотропия и поляризации Рй изменяется в зависимости от отношения дисперсий сигнала к шуму. Таким образом, те;„п кластеризации являгтся тестом ка присутствие шумов иегауссозой при^ роды в наблюдаемом сигнале.
-
Изучена структура поля поляризации в окрестности высокого изолированного пика анизотропии высотой v. Рассчитана функция распределения значений поля поляризации в пятнах анизотропии. Показано, что уровень кросскорреляцш между анизотропией л поляризацией повышается б v раз в окрестности пика высотой v.
*5. Впервые изучена взаимная корреляционная функция положений локальных максимумов анизотропии и поляризации РИ. Показано, что локальный высокий максимум анизотропии в окрестности 6' антикоррелн-руст с положениями пиков поляризации. В окрестности 6'-15' с центром и таком экстремуме лежит зона корреляции с пиками поляризации, величина корреляций достигает значений 0.1-0.18 для пиков анизотропии выше2ол.
:*.;,; ' ду
6. Данные СОВЕ по измерению квадрупольном > анизотропии —- ограничивают возможность существования высокоамплитудной неоднородности -'метрики (h-П во Вселенной с характерным масштабом
X > 107!г'Мпс в модели с QA = 0. В моделях с 0.3 і ПЛ <, 0.7 существование такой неоднородности запрещено данными СОВЕ.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется строгостью применяемых методов, корректностью используемых математических моделей и подтверждается сравнением с результатами других авторов.
Личный оклад автора
|їо пунктам 5, 2, 5 основная работа выполнена автором. По пунктам 3, |4,5 вклад автора одинаков с вкладами соавторов работ.
Автору принадлежит разработка алгоритмов расчета н реализация их а компьютерных программах, получение и анализ результатов.
Апробация работы п публикации
Основные результать! диссертации изложены в печатных работах [1-6] и докладывались на семинарах кафедры физики космоса, АКЦ ФИАН, ГА-ИШ, Объединенном Скандинавском Центре теоретической физики (NORDITA), Теоретическом Астрофизическом Центре (ТАС) , на международных конференциях "Hot spots in Astrophysics" ( Копенгаген; май 1995, май 1996, май 1997), па международной конференции, посвященной памяти И.С. Шкловского, С.Л. Каплана и СБ. Пикельнера (Москва; сентябрь 1996).
Струістура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, трех глав, Приложения, Заключения, списка цитируемой литературы из 95 наименований, списка рисунков и таблиц. Общий объем диссертации 113 страниц, в том числе 38 рисунков и 1 таблица.
