Летняя научная школа по космологиии в Нижнем Архызе, 2011г.
Фонд Дмитрия Зимина "Династия" и Международный центр фундаментальной физики в Москве
организовали Летнюю школу "Наблюдательная и теоретическая космология"
(7-ая "Школа современной астрофизики"),
которая прошла с 15 по 26 августа 2011г. в Нижнем Архызе на базе Специальной Астрофизической
Обсерватории РАН.
Программа Школы была рассчитана на аспирантов и молодых ученых (теоретиков и экспериментаторов).
Участвовали также студенты старших курсов, специализирующихся в данной области физики.
Предполагаемые курсы лекций
Теоретическая космология
1. "Генерация первичных возмущений во Вселенной"
Рубаков Валерий Анатольевич (ИЯИ РАН) (5 лекций, 5 семинаров)
2. "Ранняя Вселенная"
Лукаш Владимир Николаевич (АКЦ ФИАН) (5 лекций, 5 семинаров)
"Наблюдательная космология"
1. «Наблюдательная радиокосмология»
Верходанов Олег Васильевич (САО) (3 лекции, 1 лабораторная работа)
Одной из главных проблем современной космологии является вопрос о происхожде¬нии первичных космологических
возмущений, в первую очередь неоднородностей плотности энергии. Существующие данные о них прямо говорят о том,
что во Вселенной была эпоха, предшествовавшая горячей стадии эволюции, и именно в эту эпоху происходила
генерация первичных возмущений. Наиболее популярной и хорошо разработанной гипотезой о природе этой эпохи
является космологическая инфляция, однако даже в рамках инфляционной теории возможны различные конкретные
механизмы генерации космологических возмущений. Имеются и альтернативы инфляционному сценарию. Замечательно,
что сделать выбор между различными механизмами можно, по крайней мере в принципе, но вполне вероятно и на
практике, путем изучения тонких свойств космологических возмущений, таких как негауссовость, присутствие
тензорных возмущений (гравитационных волн), наличие или отсутствие примеси энтропийной моды, статистическая
анизотропия. Этот круг вопросов и предполагается обсудить в течение курса.
Примерное содержание курса:
1. Общие свойства первичных возмущений. Необходимость космологической стадии, предшествующей эпохе горячего
Большого взрыва. Наиболее популярная гипотеза: инфляция. Общая идея инфляции. Инфляция в теории со скалярным
полем (инфлатоном). Параметры медленного скатывания. Области их значений в моделях инфляции.
2. Возмущения скалярного поля на инфляционной стадии. Инфлатонный механизм генерации космологических
возмущений. Предсказания, сравнение с наблюдениями.
3. Генерация скалярных возмущений за счет дополнительного поля (curvaton mechanism). Негауссовость.
Аксионная темная материя. Энтропийная мода возмущений.
4. Альтернатива инфляционному механизму: конформная симметрия. Примеры моделей: конформное скатывание,
"Генезис" в модели с галилеоном.
5. Особенности предсказаний конформных моделей генерации скалярных возмуще¬ний: статистическая анизотропия,
негауссовость
Основой любой физической теории является эксперимент и наблюдения, и космология здесь
не исключение. Однако наблюдения можно проинтерпретировать по-разному в зависимости
от сделанных теоретических предпосылок. Поскольку Космологическая стандартная модель
(КСМ), возникшая на рубеже XX-XXI вв., базируется на общей теории относительности (ОТО),
в курсе будут изложены основы эйнштейновской гравитации, предсказываемые ею наблюдательные
эффекты, а также показано, какие выводы можно сделать, экстраполируя КСМ в прошлое.
Далее будет описан эффект параметрического усиления, благодаря которому в нестационарном
гравитационном поле рождаются космологические возмущения. Этот механизм носит
универсальный характер и позволяет рассчитывать спектры возмущений, задавшись
тем или иным поведением масштабного фактора, которое, в свою очередь, зависит от
конкретного типа материи во Вселенной (поля, излучение и т.д.).
В заключение будет показано, как спектр неоднородностей пересчитывается в угловой спектр
мощности реликтового излучения.
План лекций и семинаров:
1. Гравитация и гравитационные системы. Уравнения Эйнштейна, поле Шварцшильда,
гравитационные волны, предел слабого поля. Наблюдательные эффекты: отклонение луча
света, метрика Фридмана.
2. Гравитационные линзы: уравнение и модели. Гравитационное удержание материи: звезды, гало,
изотермическая сфера. Темная энергия и темная материя как модификации ОТО.
3. Космологические возмущения: уравнения, гидродинамический предел, эффект параметрического
усиления, спектры.
4. Квантование возмущений: фононы и гравитоны. Закон сохранения для векторной моды.
Начальные космологические условия.
5. Проверка теории наблюдениями - анизотропия реликтового излучения.
Связь спектра возмущений с угловым спектром мощности реликтового фона.
НАБЛЮДАТЕЛЬНАЯ КОСМОЛОГИЯ
Цикл 1.
Наблюдательная радиокосмология (4 лекции + 2 практ = 12 а.ч.)
О.В.Верходанов
В миникурсе рассказывается о радиоастрономических методах измерения
космологических параметров и связанных с ними проблемах, обусловленных
систематикой и физическими ограничениями.
Описываются особенности работы радиотелескопов и их возможности и результаты
в исследовании свойств Вселенной как в историческом плане,
так и в современную эпоху.
Подробно рассматриваются в качестве космологических зондов
радиогалактики, а также реликтовое излучение.
Рассказывается, как, измеряя угловой спектр мощности микроволнового фона,
можно определить параметры ранней Вселенной, а, воспользовашись статистистическими
свойствами сигнала анизотропии реликтового излучения, проверить космологические модели.
Демонстрируются современные подходы в изучении протяженного излучения
на сфере. Дается исторический обзор по радиокосмологии и рассматриваются
перспективы исследований в этой области
1. Радиотелескопы в космологии.
2. Космология с радиогалактиками.
3. Реликтовое излучение: как измерить космологические параметры самым точным методом.
4. Негауссовость микроволнового фона: новая физика и старые проблемы
Практическая работа 1 (1 занятие) - Определение спектра мощности карт микроволнового фонового излучения.
Целями данной работы являются ознакомление с процессом анализа
данных микроволнового излучения на небесной сфере, исследование карт
реликтового излучения, построение спектра мощности.
Необходимо сгенерировать собственную карту реликтового излучения
на небесной сфере, используя модель спектра в сценарии эволюции
Вселенной LambdaCDM и гипотезу о случайных гауссовых полях первичных
возмущений, добавить точечные источники, сгладить ее гауссовой диаграммой
и исследовать поведение спектра мощности в зависимости от заданных условий
Практическая работа 2 (1 занятие) - Селекция радиогалактик для определения динамических свойств Вселенной.
В данной работе необходимо построить свою выборку
радиогалактик, наблюдаемых в различные космологические эпохи.
Для этой выполнения этой задачи, используя современные архивы различных
радиотелескопов, требуется отобрать радиогалактики на различных красных
смещениях, построить радиозображения и выделить источники различных
морфологических типов (FRI, FRII), имеющих экспоненциальные континуальные
радиоспектры. После оптического отождествления источников, используя
фотометрические данные, определить оценочный возраст звездных систем,
и проверить его на соответствие стандартной космологии.
Цикл 2.
Космология ближней Вселенной (4 лекции + 2 практ. = 12 а.ч.)
Д.И.Макаров
Курс лекций посвящен исследованию структуры ближней Вселенной, определению шкалы внегалактических
расстояний, распределению светящейся и темной материи на шкале от нескольких до десятков
мегапарсек, обсуждению проблемы скрытой массы во Вселенной. Лекции основываются на работах, проведенных в
лаборатории внегалактической астрофизики и космологии Специальной астрофизической обсерватории.
1. Введение
Определение понятия "Ближняя Вселенная"
Наблюдаемые объекты - галактики
Современные массовые обзоры неба
Поиск новых галактик
Базы внегалактических данных
2. Шкала расстояний
Общая характеристика методов определения расстояний
Цефеиды
Обрыв ветви красных гигантов
Зависимость Талли-Фишера
3. Распределение вещества в ближней Вселенной
Распределение галактик на небе и в пространстве
Крупномасштабная структура (пустоты, группы, скопления, сверхскопления)
Выделение структур
Трехмерная картина распределения галакт ик в ближней Вселенной
"Разбегание" близких галактик
4. Проблема скрытой массы
Оценка масс групп галактик; теорема вириала.
Пекулярные скорости галактик.
Эволюция поля скоростей.
Оценка масс групп галактик по отклонению от хаббловского потока.
Проблема скрытой массы и потерянных барионов.
Лабораторная работа - Хаббловское разбегание близких галактик
Целью лабораторной работы является определение расстояний до близких
карликовых галактик по светимости звезд на вершине ветви красных
гигантов и построение зависимости "красное смещение - расстояние" в
окрестностях нашей Галактики.
p>
Практическая работа 2 (2 занятия) - Хаббловское разбегание близких галактик.
Целью работы является определение расстояний до близких
карликовых галактик по светимости звезд на вершине ветви красных
гигантов и построение зависимости "красное смещение - расстояние" в
окрестностях нашей Галактики.
Цикл 3.
Войды как элементы крупномасштабной структуры и свойства галактик, в них расположенных (2 лекции + 2 практ. = 8 а.ч.)
С.А.Пустильник
1. Войды как элементы крупномасштабной структуры
Ретроспектива наблюдательного изучения войдов.
Методики обнаружения и выделения войдов в больших обзорах красных смещений галактик (2dFRS и SDSS).
Свойства войдов - размеры, формы, контраст плотности, галактики в войдах, подструктуры.
Эпоха формирования войдов.
Статистика войдов как инструмент сравнения моделей с наблюдениями
2. Cвойства галактик в войдах
Галактики в войдах - возможные причины отличий в свойствах.
Итоги статистического анализа по большим выборкам.
Цвета галактик войдов и темп звездообразования.
Сравнение с моделями формирования структуры - филаменты в войдах, радиальное распределение, расширение войдов.
Глубокое исследование галактик войдов, необходимость изучения близких войдов.
Минивойды в Местном Объеме.
Пример достаточно детального изучения выборки 80-ти галактик в близком войде Lynx-Cancer.
Функция светимости, общее число галактик в сравнении с моделями, скучивание, галактики низкой поверхностной яркости.
Пониженное содержание металлов, повышенная доля газа, вероятная задержка в образовании галактик.
Концентрация в войде эволюционно-молодых галактик.
Приложения к космологии
Практическая работа - Галактики в войдах
Изучение спектров галактик в войдах для оценки металличности
межзвездного газа. Изучение фотометрических свойств галактик для оценки
возрастов звездных подсистем и оценки массы звезд
Цикл 4.
Гамма-всплески и массивные сверхновые - глобальный темп звездообразования в далекой Вселенной (3 лекции +2 практ. = 10 а.ч.)
В.В.Соколов
Лекции представляют собой обзор постановок задач о частоте гамма-всплесков
(GRBs), галактиках и звездообразовании на больших красных смещениях, о
наблюдательных тестах, не зависимых от моделей.
К 2011 г. состояние проблемы GRB и прогресс в этой области можно
сформулировать следующим образом:
1) Гамма-всплески относятся к самым далеким наблюдаемым объектам во
Вселенной с измеримым красным смещением.
2) Гамма-всплески связаны со звездообразованием в далеких (и очень далеких)
галактиках.
3) Гамма-всплески и их послесвечения позволяют увидеть также самые далекие
взрывы массивных звезд в конце их эволюции.
4) Это подтверждается наблюдениями длинных всплесков, но, скорее всего,
короткие гамма-всплески тоже связаны с какими-то очень старыми компактными
объектами, образовавшимися в ходе эволюции тех же массивных звезд.
5) При каких красных смещениях Z > 10-50(?) гамма-всплески уже не
наблюдаются? Сейчас это, может быть, главный GRB-тест
1. Оптическое отождествление (первая стадия) - родительские галактики
гамма-всплесков и темп звездообразования (массивных звезд)
на малых красных смещениях.
Быстрая локализация, оперативные наблюдения и измерение красных
смещений гамма-всплесков показали, что они связаны с далекими галактиками,
находящимися в месте слабеющих транзиентов. Изучение физических свойств
родительских галактик позволяет определить их отличие от обычных галактик
с массивным звездообразованием, что дает нам ключ к пониманию условий,
при которых объекты-прародители гамма-всплесков рождаются, эволюционируют
и погибают.
Самые далекие родительские галактики часто можно наблюдать
только фотометрически.
В этих случаях такие физические свойства как
скорость звездообразования, закон внутреннего поглощения, возраст, масса и
металличность можно оценить только с помощью моделирования спектрального
распределения энергии (SED).
2. Оптическое отождествление (вторая стадия) - прямая связь между
длинными гамма-всплесками и массивными звездами; гамма-всплески и загадки
массивных сверхновых.
Имеются многочисленные доказательства того, что длинные
(1s-100s) гамма-всплески связаны с гибелью массивных звезд
в областях активного звездообразования, погруженных в плотные облака пыли и
газа. О спектроскопическом подтверждении в САО связи между
гамма-всплесками и сверхновыми: GRB 030329/SN 2003dh, GRB/XRF 060218/SN2006aj,
XRF 080109/SN2008D. Дальнейший поиск спектроскопически подтвержденных пар
гамма-всплесков (или XRFs) и сверхновых очень важен для понимания природы
этой связи, природы гамма-всплесков, механизма взрыва массивных сверхновых.
3. Скорость звездообразования и частота гамма-всплесков
на больших красных смещениях
Темп разрушения массивных короткоживущих звезд (core-collapse
SNe rate) похож на темп их образования (massive SFR). Недавний гамма-всплеск
GRB 090423 на красном смещении z = 8.2 еще больше увеличил интервал красных
смещений, в котором можно произвести оценку эволюции темпа звездообразования
в режиме, который раньше никогда не исследовался. Если темп массивного
звездообразования пропорционален темпу возникновения гамма-всплесков, тогда
последний можно использовать для возможного отслеживания темпа массивного
звездообразования в далекой Вселенной.
Возникают вопросы: Действительно ли
наблюдается быстрое снижение темпа звездообразования на красных смещениях
z > 4, как это должно было бы быть при стандартных космологических моделях?
Существует ли разница между темпом генерации гамма-всплесков (GRBR) и
темпом звездообразования (SFR) при z > 4?
Наблюдается ли
эволюция каких-либо характеристик всплесков и сверхновых с ростом красного
смещения? Существуют ли гамма-всплески и массивные сверхновые на красном
смещении z ~ 10?
Поскольку Вселенная прозрачна в гамма-лучах вплоть до
красных смещений z~10-50, гамма-всплески рассматриваются как зонды для
изучения процессов звездообразования на космологических расстояниях
Практическая работа (2 занятия).
Фотометрия и спектроскопии родительских галактик и послесвечений
гамма-всплесков.
Предполагается обработка наблюдательных данных,
полученных на 6-метровом и 1-метровом телескопах САО РАН
Цикл 5.
Гамма-всплески в разный диапазонах - поиск оптимальных вспышек, их сопровождающих,
и статистика параметров в собственной системе отсчета (3 лекции = 6 а.ч.)
Г.М.Бескин
1. Методы, результаты и перспективы исследований быстрых оптических
транзиентов неизвестной локализации
Обсуждается стратегия поиска и изучения оптических вспышек, связанных с
нестационарными объектами различной природы и заранее неизвестной
локализации - гамма-всплесками, сверхновыми и новыми, ядрами активных
галактик, эффектами гравлинзирования.
Рассматриваются различные инструменты для ее реализации, как и методы обнаружения таких
нестационарных источников излучения.
Приводятся результаты изучения с субсекундным временным разрешением оптической вспышки, сопровождавшей
гамма-всплеск GRB080319B (Naked-Eye Burst).
Анализируются перспективы развития методов широкоугольного мониторинга небесной сферы с субсекундным
временным разрешением.
2. Статистический анализ выборки гамма-всплесков с измеренными красными смещениями
Описывается структура базы данных, содержащей параметры более двух сотен
оптически отождествленных гамма-всплесков с измеренными красными
смещениями.
Рассматриваютcя особенности оценивания их характеристик, учета эффектов поглощения излучения и селекции.
Приводятся результаты корреляционного анализа связей между различными параметрами объектов и их
интерпретация в контексте возможной космологической эволюции
Цикл 6.
Измерение космологических параметров при помощи наблюдений скоплений галактик (2 лекции)
Р.А.Буренин
Будет дан краткий обзор основных способов измерения параметров
космологической модели: наблюдений анизотропии реликтового излучения,
сверхновых типа Ia, барионных акустических осцилляций, скоплений
галактик. Далее, будет подробно разобран способ, основанный на
наблюдениях скоплений галактик. С этой целью будут разобраны задачи о
росте линейных возмущений плотности в расширяющейся Вселенной, о
сферическом нелинейном коллапсе, о простом способе построения функции
масс скоплений галактик (функция масс Пресса-Шехтера). Также будут
рассмотрены способы построения более точной функции масс скоплений,
как теоретические так и основанные на численных моделированиях.
После этого будет обсуждаться вопрос о том, каким образом следует
измерять функцию масс скоплений при помощи астрономических
наблюдений. Будет показано, каким образом происходит поиск скоплений
по излучению в рентгеновском диапазоне, как затем измеряются их
массы. В заключение, будет показано, каким образом по измеряемой
функции масс восстанавливаются параметры космологической модели, в
частности, будет рассмотрен способ посртоения функций правдоподобия при
помощи моделирования марковских цепочек значений параметров
Проведение экскурсии НА БТА (6-метровый оптический телескоп) (2 а.ч.) Н.В.Борисов
Проведение экскурсии НА РАТАН -600 (600-метровый радиотелескоп) (2 а.ч.) Н.Н.Бурсов
Проведение горного похода (6 а.ч.) Н.Н.Кондратьев
Проведение экскурсии на древнее городище (Аланские храмы) (3 а.ч.) Е.Л.Ченцов
