Рекомбинация первичной плазмы и связанные с ней искажения спектра реликтового излучения

• Автор: Холупенко, Евгений Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.03.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Оглавление
Введение
I Актуальность темы диссертации
II Цели работы
III Новизна работы
IV Достоверность научных результатов
V Практическая значимость работы
VI Основные положения, выносимые на защиту
VII Апробация работы и публикации
VIII Структура и объем диссертации
1 Рекомбинация первичного водорода
1.1 Космологическая модель
1.2 Рекомбинация первичного водорода согласно формуле Саха
1.3 Кинетика рекомбинации первичного водорода
1.4 Упрощенное рассмотрение переноса излучения в линии Lya
1.5 Кинетика двухквантовых переходов HI 2s<-»ls в первичной водородной
плазме (обратная связь Lya => 2s —> Is)
1.5.1 Нескомпенсированные переходы 2s Is
1.5.2 Влияние обратной связи Lya => 2s —> Is на кинетику рекомбинации первичного водорода
1.6 Кинетика резонансных переходов HI п —+ 1 (резонансная обратная
связь Ly(n + 1) =Ф HI п —> 1)
1.6.1 Формализм резонансной обратной связи
1.6.2 Аналитическая оценка эффекта резонансной обратной связи
1.6.3 Влияние эффекта резонансной обратной связи на кинетику рекомбинации
1.7 Другие поправки к кинетике рекомбинации
2 Рекомбинация первичного гелия
2.1 Рекомбинация первичного гелия НеШ—►Hell
2.2 Рекомбинация первичного гелия Hell—>Не1 согласно формуле Саха
2.3 Кинетика рекомбинации первичного гелия
НеП-»Не1
2.4 Кинетика резонансного излучения Не1
2.4.1 Кинетика нейтрального водорода в эпоху рекомбинации Hell—+Не1:
обоснование использования формулы Саха

2.5 Кинетика резонансных переходов Hel 2Р—>1S
2.5.1 Модифицированная вероятность выхода кванта из профиля линии
2.5.2 Вероятность “гибели” резонансного кванта Hel при взаимодействии с нейтральным водородом
2.5.3 Обсуждение и результаты. Влияние нейтрального водорода на
кинетику рекомбинации Hell—► Hel
3 Искажения спектра реликтового излучения, связанные с рекомбинацией первичной плазмы
3.1 Искажения, связанные с рекомбинацией водорода
3.1.1 Оценка амплитуды искажений
3.1.2 Описание поведения населенностей
3.1.3 Описание поведения излучения
3.1.4 Результаты
3.2 Искажения спектра РИ, обусловленные рекомбинацией Hell-Hel
3.3 Особенности наблюдения
Заключение
Литература
Введение
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 НеШ—>HeII (z ~ 5000 — 7000), (2) рекомбинация гелия Hell—>Не1 (z ~ 1500 — 3000), (3) рекомбинация водорода НП—»HI (z ~ 900 — 1600), где z - космологическое красное смещение. Поскольку других нуклидов (D, 3Не, Li, В и пр.) в первичной плазме существенно меньше, чем :Н и 4Не (< 10“'4 по числу частиц), обычно рассматривают рекомбинацию именно водородно-гелиепой 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 z > 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/у/З. 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”) расиросграстраняться свободно, практически не взаимодействуя с веществом. При этом скорость звука уменьшается до значений, соответствующих значениям порядка у/квТ/тпн- Уменьшение упругости среды является необходимым фактором роста возмущений плотности барионной компоненты первичной среды и способствует образованию первичных гравитационносвязанных 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.

Рис. 1.12: Верхняя панель: Скорость рекомбинации первичной водородной плазмы ./г [c:rV1]. Нижняя панель: Относительное изменение скорости рекомбинации 53т по сравнению со стандартной моделью рекомбинации [2, 20], связанное с учетом индуцированных переходов и обратной связи Ьуа => 1 я.