Великомасштабна структура та параметри космологічної моделі спостережуваного Всесвіту

Результати визначення шести головних параметрів LCDM-моделі приведені в табл. 1 для трьох наборів спостережуваних даних: лише самі дані WMAP2006, дані набору WMAP2006 + BBN + h + SNIa та WMAP2006 + BBN + h + SNIa + LSS (позначені відповідно LCDM1, LCDM2 та LCDM3).

В другій колонці приведено визначення науковою групою WMAP [52] для різних наборів спостережуваних даних. Найоптимальніші значення параметрів, що отримані лише із даних WMAP2006, практично збігаються із результатами визначення [52]. Для LCDM3 обчислено вік Всесвіту, він виявився рівним 14.4±1.4 млрд. років, що добре узгоджується із віком найстаріших зір.

Таблиця 1. Найоптимальніші значення параметрів LCDM-моделі із різних визначень.

Оцінено також частку сколапсованих гало від повного числа об'єктів заданої маси на різних червоних зміщеннях. Їх можна використати для тестування моделі за підрахунками числа об'єктів різних мас на різних червоних зміщеннях. У підрозділі 7.4 модель LCDM3 тестується шляхом порівняння обчислених для неї характеристик великомасштабної структури Всесвіту із спектрами потужності збурень густини, отриманих на основі просторових розподілів галактик, скупчень галактик та -хмарок, а також із повним спектром потужності флюктуацій температури реліктового випромінювання WMAP2006, які не використовувались у процедурі пошуку параметрів.

Для спектрів потужності неоднорідностей просторового розподілу галактик та скупчень галактик методом підгонки визначались найбільш оптимальні значення параметрів зміщення

b (P(k)=b² P_gal(k))

Результати показують добре узгодження передбачень моделі LCDM3 із спостережуваними даними. Результати порівнюються із аналогічними передбаченнями LCDM-моделі із параметрами, визначеними науковою групою WMAP2006 [52], за узгодженнями з різними спектрами за критерієм ч². Результати порівняння показують (табл. 2), що модель LCDM3 у переважному числі тестів має менше ч², ніж LCDM-модель із [52]. У підрозділі 7.5 здійнено порівняння отриманих значень космологічних параметрів моделі із їх визначеннями, основаними на астрофізичних даних. Показано, що більшість космологічних і астрофізичних визначень параметрів Щ_m, Щ_b, h та у₈ узгоджуються між собою. Діапазони значень вмісту дейтерію, визначеного за лініями поглинання у Ly_б-хмарах міжгалактичного середовища, та вмісту гелію-4, визначеного за відносними інтенсивностями емісійних ліній гелію і водню у низькометалічних областях HII, перекривають відповідні діапазони їх передбачень стандартною теорією космологічного нуклеосинтезу для отриманого значення Щ_b = 0.023±0.05 . Непоясненим, однак, залишається вміст літію-7: його найбільше значення, отримане на основі спектрів зір, удвічі менше від передбачуваного стандартною теорією космологічного нуклеосинтезу. Інші визначення дають ще менші значення. Iз цих визначень та стандартної теорії космологічного нуклеосинтезу випливає верхня межа на значення вмісту баріонної речовини - Щ_bh²?0.018, що випадає за межі 2s довірчого інтервалу космологічних визначень вмісту баріонів. Очевидно, що ця проблема може бути розв'язана як на шляху перегляду стандартної теорії космологічного нуклеосинтезу, так і теорії еволюції вмісту літію-7 у атмосферах зір.

Таблиця 2. ч² для різних спектрів LCDM3 та LCDM [52].

Робиться висновок (підрозділ 7.6) про те, що LCDM-модель із параметрами Щ_Л = 0.736±0.065, Щ_m = 0.278±0.080, Щ_b = 0.05±0.011, h=0.68±0.085, у₈ = 0.73±0.08 та n_s = 0.96±0.015 найкращим чином апроксимує усю сукупність даних. Таким чином, можна вважати, що в класі космологічних моделей із шістьма параметрами ця модель є найближчою до істинної моделі спостережуваного Всесвіту.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є підсумком дослідження формування великомасштабної структури Всесвіту із скалярних збурень метрики простору-часу та густини і швидкості речовини, згенерованих в інфляційну епоху, та визначення усіх параметрів космологічної моделі шляхом співставлення теоретично передбачених характеристик великомасштабної структури із даними спостережувальної космології. Основні результати досліджень, представлених у дисертації, такі:

1. Із проведених досліджень лінійної та нелінійної стадій розвитку збурень густини і швидкості речовини та метрики простору-часу в багатокомпонентній моделі Всесвіту випливає, що елементи великомасштабної структури Всесвіту формуються в піках випадкового гаусівського поля збурень густини холодної темної матерії. Спектр потужності збурень концентрації таких піків у моделі LCDM3 добре узгоджується із спостережуваними спектрами, отриманими на основі просторового розподілу галактик та скупчень галактик. Функція мас та рентгенівської температури скупчень галактик у цій моделі теж не суперечить спостережуваним даним. Нелінійна стадія розвитку високих піків - зупинка розширення і колапс - описується сферично-симетричним колапсом у моделі з космологічною сталою. Приведені розрахунки частки сколапсованих піків різного масштабу на різних червоних зміщеннях демонструють процес формування великомасштабної структури у LCDM-моделі Всесвіту шляхом ієрархічного скупчування та узгоджуються із спостережуваними даними про розподіл квазарів, галактик та скупчень галактик за червоними зміщеннями.

2. Найбільш строгим тестом теорії космологічних збурень є спектр потужності флюктуацій температури реліктового випромінювання. На найбільших кутових масштабах (l-10) його форма залежить тільки від спектрального індекса первісного (інфляційного) спектра, кривини 3-простору, значення космологічної сталої та внеску тензорної моди збурень. Положення акустичних піків у спектрі потужності флюктуацій температури реліктового випромінювання та співвідношення їх амплітуд є добрим індикатором вмісту баріонів, темної матерії та темної енергії (космологічної сталої). Визначені на їх основі відносні вмісти баріонів та темної матерії добре узгоджуються із їх визначеннями на основі інших методів: баріонів за вмістом гелію у низькометалічних областях HII та атомів дейтерію у міжгалактичному середовищі на основі стандартної моделі космологічного нуклеосинтезу, темної матерії на основі кривих обертання та моделей гало галактик, поля пекулярних швидкостей галактик в околі Місцевої групи, гравітаційного лінзування, співвідношення “видима зоряна величина - червоне зміщення” для наднових типу Іа та інших. Проблемою залишається узгодження вмісту баріонів, визначеного на основі сукупності космологічних даних, з його значенням, яке передбачає стандартна модель космологічного нуклеосинтезу за зоряним вмістом літію-7.

3. В результаті дослідження процесу космологічної рекомбінації в області адіабатичних збурень з масштабом, більшим за акустичний горизонт, виявлено, що амплітуди відносних збурень концентрацій іонізованого водню, гелію і вільних електронів в кілька разів більші за амплітуду збурень густини баріонної компоненти: для вільних електронів та іонізованого водню в 5 разів, гелію у 18 разів.

На менших масштабах ефект замивається внаслідок осциляцій збурень густини і температури фотонно-баріонної плазми впродовж епохи рекомбінації. Виявлені відхилення відносних збурень концентрації іонів та електронів від збурення густини баріонної компоненти в епоху космологічної рекомбінації не відображаються безпосередньо на флюктуаціях температури реліктового випромінювання.

Але вони зумовлюють “гофрованість” сфери останнього розсіювання теплового випромінювання за оптичною глибиною на масштабах, більших за акустичний горизонт: положення піка функції видимості в області таких збурень зсувається за червоним зміщенням на величину

дz = -д_b / 3(z_dec + 1) ,

де z_dec - червоне зміщення сфери останнього розсіювання за відсутності збурень. Врахування цього ефекту дасть можливість точніше розраховувати анізотропію температури і поляризації реліктового випромінювання в рамках заданої космологічної моделі для співставлення їх із спостережуваними даними.

4. На основі сукупності даних про флюктуації температури реліктового випромінювання, отриманих в космічному експерименті WMAP, характеристики великомасштабної структури Всесвіту та вимірювань сталої Габбла, параметра прискорення та вмісту баріонної речовини визначено параметри Щ_Л = 0.736±0.065, Щ_m = 0.278±0.08, Щ_b = 0.05±0.01, h=0.68±0.085, у₈ = 0.73±0.08 та n_s = 0.96±0.015 (довірчі інтервали 95%), які добре узгоджуються із передбаченнями моделей раннього Всесвіту та їх прямими визначеннями астрофізичними методами. Показано, що ця модель найкращим чином апроксимує усю сукупність даних, включаючи і ті, які не використовувались у процедурі визначення. Таким чином, можна вважати, що в класі таких космологічних моделей із шістьма параметрами ця модель є найближчою до істинної моделі спостережуваного Всесвіту.

5. Найбільш оптимальне значення масової густини гарячої компоненти темної матерії близьке до нуля, Щ_н~ 0.002 . Це означає, що найбільш оптимальне значення маси спокою нейтрино співмірне з різницею мас, визначеною в експериментах з осциляціями нейтрино, m_н?vДm² ? 0.05 еВ. Нормування спектра потужності збурень густини за даними вимірювань флюктуацій температури реліктового випромінювання та використання даних спостережувальної космології від субгалактичних до ґіґапарсекових масштабів дозволило встановити верхнє обмеження на масову густину нейтринної компоненти темної матерії на 95% рівні достовірності: Щ_н ? 0.03. Це дає верхню межу на масу спокою реліктових нейтрино: m_н ? 0.3 еВ в припущенні, що m_нe ? m_нм ? m_нф ?m_н.

6. Порівняння розрахованого значення квадрупольної складової спектра потужності флюктуацій температури реліктового випромінювання, нормованого за амплітудою скалярної моди збурень, із отриманими в експериментах COBE і WMAP вказує на відсутність помітного внеску тензорної моди космологічних збурень, тобто відношення амплітуд тензорної і скалярної мод збурень T/S?0. Використання усієї сукупності даних спостережувальної космології разом із даними про спектр потужності флюктуацій температури реліктового випромінювання, отриманими в космічному експерименті WMAP, дозволило встановити верхню межу значення амплітуди тензорної моди збурень - реліктових гравітаційних хвиль: T/S?0.6 (95.4%) для моделей з вільним параметром нахилу спектра n_t. Для моделей з плоским спектром потужності гравітаційних хвиль (n_t = 0) чи інших, близьких до нього (n_t ~ n_s -1), вона ще втричі нижча: T/S?0.18 (95.4%).

Припущення про квазари як ранню короткочасну стадію еволюції масивних галактик, добре пояснює характер еволюції амплітуди кореляційної функції та зміну їх концентрації із червоним зміщенням в класі LCDM-моделей. Їх кількісне узгодження в рамках LCDM моделі із визначеними параметрами дає можливість визначати фізичні параметри областей квазароутворення.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Новосядлий Б.С. Космологічні моделі з гарячою і холодною прихованою масою // Кинематика и физика небесных тел.-1994.-Т.10.-С.13

2. Novosyadlyj B.S., Hnatyk B.I. Large-scale structure of the Universe and initial fluctuation spectra // Bulletin of the Special Astrophysical Observatory.-1994.-V.37.-P.81-90.

3. Hnatyk B.I., Lukash V.N., Novosyadlyj B.S. Great attractor - a new test for cosmological models // Bulletin of the Special Astrophysical Observatory.-1994.-V.37.-P.90-96.

4. Hnatyk B.I., Lukash V.N., Novosyadlyj B. S. Great attractor- like fluctuations: observational manifestations and theoretical constraints // Astron. and Astrophys.-1995.-V.300.-P.1-12.

5. Новосядлий Б.С., Чорній Ю.Б. Розподiл квазарiв по Z i початковий спектр флюктуацiй на малих масштабах // Кинематика и физика небесных тел.-1996.-Т.12.-N2.-С.30-42.

6. Chornij Yu., Novosyadlyj B.S. Redshift distribution of QSOs as a probe of initial spectrum on small scales // Astron. and Astrophys. Transactions.-1996.-V.10.-P.77-82.

7. Kahniashvili T., Novosyadlyj B., Valdarnini R. Primordial inhomogeneities spectra in mixed dark matter models with non-zero cosmological constant // Helvetica Physica Acta.-1996.-V.69.-P.219-224.

8. Novosyadlyj B.S. The cosmic microwave background anisotropy and very large structures in the Universe: the problem of agreement. // Astron. and Astrophys. Transactions.-1996.-V.10.-P.85-93.

9. Novosyadlyj B.S., Chornij Yu. The number density of quasars as a probe of initial power spectrum on small scale // Журн. фiз. дослiджень.-1997.-Т.1.-C. 287-296.

10. Новосядлий Б.С., Чорній Ю.Б. Еволюція кореляційної функції квазарів у космологічних сценаріях формування великомасштабної структури Всесвіту // Журн. фіз. досліджень.-1998.-Т.2,N3.-С.433-437.

11. Новосядлий Б.С., Чорній Ю.Б. Кореляційна функція квазарів і спектр потужності космологічних флуктуацій густини речовини // Кинематика и физика небесных тел.-1998.-Т.14,N2.-С.156-165.

12. Valdarnini R., Kahniashvili T., Novosyadlyj B. Large- scale structure formation in mixed dark matter models with a cosmological constant // Astron. and Astrophys.-1998.-V.336.-P.11-28.

13. Novosyadlyj B., Durrer R., Lukash, V.N. An analytic approximation of MDM power spectra in four dimensional parameter space // Astron. and Astrophys.-1999.-V.347.-P.799-808.

14. Novosyadlyj B., Apunevych S., Durrer R., Gottlober S., Lukash V. N. Best-fit cosmological parameters from observations of the large scale structure of the Universe // Odessa Astronomical Publications.-1999.-V.12.-P.73-76.

15. Novosyadlyj B. Best-fit parameters of mixed dark matter model from Abell-ACO power spectra and mass function // J. Phys. Studies.-1999.-V.3,N1.-P.122

16. Novosyadlyj B., Durrer R., Gottloeber S., Lukash V.N., Apunevych S. Cosmological parameters from large scale structure observations // Astron. and Astrophys.-2000.-V.356, N 2.-P.418-434.

17. Novosyadlyj B., Durrer R., Apunevych S. Cosmological parameters from observational data on the large scale structure of the Universe // Kinematics and Physics of Celestial Bodies, Suppl.Ser.-2000.-No3.-P.146-150.

18. Novosyadlyj B., Durrer R., Gottlober S., Lukash V.N., Apunevych S. Determination of Cosmological Parameters from Large Scale Structure Observations // Gravitation and Cosmology. Supplement.-2000.-V.6.-P.107-115.

19. Apunevych S., Novosyadlyj B. Large-scale structures and integrated Sachs-Wolfe effect in non-zero L cosmologies // J. Phys. Studies.-2000.-V.4.-P.470

20. Durrer R., Novosyadlyj B. Cosmological parameters from complementary observations of the Universe // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.-2001.-V.324.-P.560-572.

21. Durrer R., Novosyadlyj B., Apunevych S. Acoustic peaks and dips in the cosmic microwave background power spectrum: observational data and cosmological constraints // Astrophys. J.-2003.-V.583.-P.33-48.

22. Кулiнiч Ю., Новосядлий Б. Сферично-симетричний колапс i функцiя мас багатих скупчень галактик в моделях з кривиною та космологiчною сталою // Журн. фiз. дослiджень.-2003.-Т.7.-C. 234-246.

23. Леонтьєв В.А., Новосядлий Б.С. Еволюція кореляційної функції квазарів в LCDM моделях формування структури Всесвіту // Кинематика и физика небесных тел.-2004.-Т.20.-N3.-С.252-260.

24. Чорній Ю., Кулініч Ю., Новосядлий Б. Інтерпретація розподілу квазарів по червоних зміщеннях у сучасних космологічних моделях // Кинематика и физика небесных тел.-2004.-Т.20.-N4.-С.359-365.

25. Novosyadlyj B., Apunevych S. The constraints on power spectrum of relic gravitational waves from current observations of large-scale structure of the Universe // Kinematics and physics of celestial bodies. Suppl.-2005-V.5.- P.199

26. Новосядлий Б., Апуневич С. Космологічні обмеження на амплітуду реліктових гравітаційних хвиль // Журн. фіз. досліджень.-2005.- Т.9.-C. 280

27. Новосядлий Б. Збурення концентрацій іонів та електронів в епоху космологічної рекомбінації // Кинематика и физика небесных тел.-2006.-Т.22.-C.199-124.

28. Novosyadlyj B. Perturbations of ionization fractions at the cosmological recombination epoch // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.-2006.-V.370.-P.1771-1782.

29. Novosyadlyj B.S., Hnatyk B.I., Lukash V.N. Great Attractors: Observational Displays and Condition of Realizations // Observational Cosmology: International Symposium held in Milano, Italy, 21-25 September 1992. Ed. Chincarini et al. Astron. Soc. of the Pacific.-1993.-P.219-221.

30. Новосядлий Б.С. Багатi скупчення галактик як джерела рентгенiвського випромiнювання // Ін-т теор. фiзики НАН України. Препринт ІТФ-93-37У.- 1994.-С.6-12.

31. Kahniashvili T., Novosyadlyj B., Valdarnini R. Initial power spectra of density fluctuations in mixed dark matter models with cosmological conґ-stant // in: Neutrinos, Dark Matter and the Universe. Eds. T. Stolarczyk J., Tran Than Van, F. Vannucci.-1996.-P.385.

32. Kahniashvili T., Novosyadlyj B., Valdarnini R. Large scale structure formation in MDM models with a cosmological constant // in: Proc. JENAM-97.-1997.-P.368.

33. Valdarnini R., Kahniashvili T., Novosyadlyj B. Large scale structure formation in MDM models with a cosmological constant // Dark matter: proceedings of DM97, 1st Italian conference on dark matter, Trieste, December 9-11, 1997. Ed. Paolo Salucci. Firenze, Italy: Studio Editoriale Fiorentino.-1998.-P.138.

34. Valdarnini R., Kahniashvili T., Novosyadlyj B. Large Scale Structure Formation in Mixed Dark Matter Models with a Cosmological Constant // Large Scale Structure: Tracks and Traces. Proceedings of the 12th Potsdam Cosmology Workshop, held in Potsdam, September 15th to 19th, 1997. Eds. V. Mueller, S. Gottloeber, J.P. Muecket, J. Wambsganss World Scientific.-1998.-P.269-272.

35. Valdarnini R., Kahniashvili T., Novosyadlyj B. Large scale structure formation in MDM models with a cosmological constant // Observational Cosmology: The Development of Galaxy Systems. Proceedings of the International Workshop held at Sesto Pusteria, Bolzano, Italy, 30 June - 3 July, 1998. Eds.: G. Giuricin, M. Mezzetti, and P. Salucci, Astronomical Society of the Pacific.-1999.-V.176.-P.328-334.

36. Апуневич С.Є., Новосядлий Б.С. Флюктуації температури реліктового випромінювання в космологічних моделях з L-константою // Збірник матеріалів ІІ наукової конференції пам'яті відомого астрофізика Бабія Б.Т.-1998.-С.139

37. Valdarnini R., Kahniashvili T., Novosyadlyj B. Power Spectra and Large Scale Structure Formation in Mixed Dark Matter Models with a Cosmological Constant // Recent Developments in Theoretical and Experimental General Relativity, Gravitation, and Relativistic Field Theories, held at the Hebrew University of Jerusalem, 22-27 June, 1997. Edited by Tsvi Piran and Remo Ruffini. World Scientific Publishers, 1999., P.1255

38. Novosyadlyj B., Durrer R., Apunevych S. Constraints on the neutrino mass and the cosmological constant from large scale structure observations // Cosmology and particle physics. CAPP 2000, AIP conference proceedings, volume 555, eds. R. Durrer, J. Garcia-Bellido, M. Shaposhnikov.American Institute of Physics, Melville, New York-2001.-P.343-348.

39. Apunevych S., Novosyadlyj B. Constraints on relic gravitational waves from CMB and LSS observations // Proceeding of Gamow memorial conference “Astrophysics and cosmology after Gamow - theory and observations”. Eds. A. Zhuk, G.S. Bisnovaty-Kogan, S. Silich and R. Terlevich. Cambridge Scientific Publishers Ltd. -2005.-P.105-112.

40. Novosyadlyj B., Apunevych S. The constraints on the neutrino mass and amplitude of tensor mode from WMAP and LSS data // Memorial international conference ”Astronomy and space physics at Kyiv University”. Abstract book, Kyiv, 2005.-P.103.

41. Novosyadlyj B., Durrer R., Apunevych S. Constraints on the Tensor Mode from Large Scale Structure Observations // New Cosmological Data and the Values of the Fundamental Parameters. Proceedings of IAU Symposium No201, Edited by A. Lasenby and A. Wilkinson: Astronomical Society of the Pacific (ASP).-2005.- P.494-500.

42. Новосядлий Б., Апуневич С. WMAP2006: космологічні параметри і великомасштабна структура Всесвіту // Тези четвертої наукової конференції “Вибрані питання астрономії та астрофізики” (м. Львів, 19-21 жовтня).-2006.-С.47.

Размещено на Allbest.ru