Этот курс посвящен ключевым проблемам современной астрофизики: рождению, эволюции и финальной стадии жизни звезд.
Некоторые из них, например, нейтронные звезды отличаются сверхвысокой плотностью вещества и сверхсильными магнитными полями — такие условия пока недостижимы для современных лабораторий. Как же ученые исследуют эти объекты?
В курсе вы познакомитесь с работой специалистов астрофизики высоких энергий и нейтринной астрономии и разберетесь, зачем люди изучают вспышки сверхновых, ускорение заряженных частиц на космических ударных волнах и высокоэнергитичные нейтрино.
А главы, посвященные теоретической и наблюдательной космологии, объяснят, как эта наука отвечает на вопросы о рождении Вселенной, динамике ее расширения и о формах материи ее заполняющих.
From the lesson
Астрофизика высоких энергий
Раздел состоит из шести лекций. Астрофизика высоких энергий - это область науки на стыке физики, физики высоких энергий, астрономии и целого ряда других дисциплин включая астробиологию и множество близких по духу предметов. Астрофизика высоких энергий очень многогранны. Вот некоторые из задач, которые исследуются в этой области науки - это изучение фундаментальных законов природы, строения и эволюции Вселенной и др. Астрофизика высоких энергий дает уникальную возможность получить сведения о процессах в объектах в условиях совершенно недостижимых в земных лабораториях. Характерные энергии частиц, с которыми работает астрофизика высоких энергий, на порядки превосходят энергии, которые достижимы в земных коллайдерах, типа Большого адронного коллайдера.
Физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий. Заведующий кафедрой "Космические исследования" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Будем
обсуждать вопрос о природе темной материи.
Природа темной материи относится к числу фундаментальных
вопросов «Из чего состоит Вселенная?».
Наблюдения последних нескольких десятилетий показали,
что описание наблюдаемой Вселенной требует наличия нескольких важных компонент.
Одна из компонент нам хорошо знакома — это нормальное вещество,
или его называют в астрофизике барионным веществом.
Это все то, к чему мы привыкли — это атомы,
молекулы и вся окружающая действительность.
Но кроме этого, оказалось,
что гораздо большее по энергии и по количеству материи,
существенно большее количество, это темной материи и темной энергии.
Если барионное вещество составляет порядка 4–5 % от общего содержания,
то оставшиеся 95–96 % — это так называемые темная материя и темная энергия.
Вот сейчас мы будем с вами обсуждать вопрос, касающийся природы темной материи.
Что на эту тему известно?
Наблюдения...
оптические наблюдения крупномасштабной структуры распределения галактик,
которые выполнил Слоановский обзор, вы об этом услышите в других
лекциях этого курса, показал, что, оказывается,
распределение галактик по космологическим расстояниям,
то есть по красному смещению, оно не однородно.
Там имеется крупномасштабная структура,
и вот это описание понимания крупномасштабной структуры
оказалось возможным на основе космологической модели,
в которой основным компонентом является так называемое холодное темное вещество.
Это так называемая ΛCDM-модель («Лямбда-СиДиЭм»),
модель холодного темного вещества с темной энергией.
Вот вы видите на слайде сверху результаты наблюдения Слоановского обзора,
а внизу вы видите результаты компьютерного моделирования на основе этой модели.
И вот хорошее согласие этих двух картинок показывает нам,
что мы должны всерьез исследовать возможную
природу холодного темного вещества.
Это не единственная модель.
Существуют другие модели в крупномасштабной структуре Вселенной,
которые включают в себя так называемую волновую модель темной материи,
в которой массы частиц темной материи чрезвычайно маленькие порядка 10⁻²² эВ.
Существует так называемая модель горячей темной материи,
в которой темная материя не холодная имеет энергии достаточно большие,
частицы с мегаэлектронвольтами и больше, а также модель холодной темной материи.
Вот мы сейчас будем пытаться обсуждать проблему поиска частиц,
которая ответственна за эту холодную темную материю.
Одним из перспективных вариантов этого поиска является попытка
найти продукты реакции взаимодействия частиц темной материи.
Мы не знаем до конца, какие частицы составляют темную материю.
Делается гипотеза о том, что частицы темной материи
имеют происхождение в так называемой суперсимметричной теории.
Частицы темной материи в этой теории после соударений должны
порождать с определенной вероятностью большой набор вторичных частиц.
Эти вторичные частицы многие имеют обычное происхождение,
среди них встречаются, в частности, электроны, позитроны,
нейтрино, антипротоны, протоны и другие частицы.
Найти дополнительные частицы к
имеющимся в окружающей среде, связанные с этим взаимодействием,
представляется возможным только для позитронов и антипротонов.
Почему?
Потому этих частиц в обычной ситуации очень мало,
поэтому если столкновение частиц темного вещества производит дополнительные
антипротоны и позитроны, то есть шанс их детектировать.
Вот на этом основаны принципы, которые мы сейчас с вами будем обсуждать.
То есть среди продуктов реакции имеются позитроны и антипротоны.
Давайте попробуем искать следы этих частиц в окружающей среде.
Один из способов этого поиска
— это использование космической обсерватории,
гамма-обсерватории INTEGRAL, которая может найти аннигиляцию,
то есть следы аннигиляции позитронов и электронов.
При определенных условиях позитроны и электроны аннигилируют с образованием
двух гамма-квантов, то есть они исчезают, и образуются два гамма-кванта.
Вот эти вот два гамма-кванта могут иметь...
их на самом деле может быть и три, и больше,
с подавляющей вероятностью два гамма-кванта.
Вот эти продукты аннигиляции, эти гамма-кванты,
они могут быть детектированы обсерваторией INTEGRAL.
И вот на слайде вы сейчас видите карту Галактики,
построенную в линиях ожидаемых фотонов,
соответствующих аннигиляции электронов и позитронов.
Вы видите, что таких фотонов довольно много, они распределены,
сконцентрированы вокруг галактического центра.
Более того, приборы обсерватории INTEGRAL оказались столь чувствительными,
что они позволили построить, что называется,
спектр этого излучения, то есть распределение числа фотонов,
наблюдаемых аннигиляционных квантов от энергии.
И вот этот спектр принес нам уникальную информацию, то есть он позволил
определить те процессы, при которых действительно происходит аннигиляция.
Вот эта вот аннигиляция происходит в значительной мере через
образование связанного состояния электрона и позитрона.
Это как атом водорода, в котором вместо ядра находится позитрон.
Позитрон — положительно заряженная частица, и он может образовывать связанные
состояния с электроном, они образуют это связанное состояние.
Но в отличие от атома водорода оно короткоживущее,
и в зависимости от спина этого состояния, оно живет либо 10⁻⁷,
либо примерно 10⁻¹⁰ секунды, после чего распадается.
Так вот, обсерватория INTEGRAL наблюдала распады этого вещества,
позитрония, и построила карту их, вот как мы с вами видели.
Дальше стоит вопрос...
Есть и позитроны, есть и антипротоны в веществе окружающем.
Вопрос: связаны ли они, действительно,
с продуктами реакции темного вещества или нет?
Этот вопрос сводится к тому, что какие другие источники могут произвести нужные,
обсуждаемые нами сейчас, элементы.
Оказалось, что, к сожалению, однозначного вывода о
связи наблюдаемого аннигиляционного излучения с продуктами
реакций темного вещества сделать на сегодняшний день нельзя.
То есть существуют другие естественные природные источники позитронов,
которые могут вносить вклад в наблюдаемую нами картину.
Этот процесс сейчас продолжается,
строятся другие эксперименты, которые должны продвинуть нас к пониманию.
Одним из таких экспериментов является прямое наблюдение позитронов.
Прямое наблюдение позитронов осуществляется,
если мы выведем на орбиту большой магнит.
Большой магнит на орбите
позволяет закручивать треки позитронов и антипротонов.
Как вы знаете, направление движения в треке зависит
от заряда частицы, то есть можно при помощи магнитного
поля разделять траектории электронов и позитронов.
Это впервые было сделано на Земле очень давно, в 30-х годах,
и привело просто к открытию позитрона в 1932 году.
На сегодня мы используем схожие идеи, но с существенно более передовой техникой,
то есть мы наблюдаем сегодня энергии позитронов на орбите,
которые в тысячи раз выше, чем энергии позитронов,
которые наблюдал на Земле открыватель их Андерсон,
и этому посвящен космический эксперимент PAMELA.
Вот космический эксперимент PAMELA позволил наблюдать распределение
по энергии позитронов и антипротонов.
И он, действительно, обнаружил определенный избыток количества
позитронов над тем, который ожидался просто из-за
обычных взаимодействий космических лучей, что дало надежду на то, что,
может быть, мы действительно видим следы темной материи,
однако он не обнаружил необходимого сопутствующего избытка антипротонов.
И поэтому сейчас стоит вопрос о природе избытка позитронов.
Возможно, он связан, действительно, с темным веществом, а, может быть, он
связан с позитронами, которые генерируются пульсарами, о которых мы отдельно говорим.
На сегодняшний день процесс поиска продолжается.
Продолжается он на международной космической станции МКС,
где стоит эксперимент AMS, который тоже содержит огромный
магнит по технологии похожей, и он более мощный и
позволяет соответственно исследовать частицы более высоких энергий.
Сейчас мы пытаемся понять по спектру частиц,
позитронов высоких энергий, все-таки являются ли
они продуктами взаимодействия частиц темной материи или имеют происхождение,
связанное с пульсарами или какими-то другими космическими объектами,
то есть поиск моделей темного вещества продолжается.
[БЕЗ_ЗВУКА] [БЕЗ_ЗВУКА]
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Варшалович Дмитрий АлександровичФизик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий.
