Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках



Скачать 84.15 Kb.
Дата03.02.2013
Размер84.15 Kb.
ТипИсследование

Исследование природы скрытой массы с помощью данных EGRET/FERMI...

К.М. БЕЛОЦКИЙ, А.А. КИРИЛЛОВ, М.Ю. ХЛОПОВ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ СКРЫТОЙ МАССЫ С ПОМОЩЬЮ ДАННЫХ EGRET/FERMI О ТОЧЕЧНЫХ ГАММА-ИСТОЧНИКАХ
Эксперименты EGRET и FERMI показали наличие значительного количества неидентифицированных космических гамма-источников. В данном докладе предпринимается попытка связать эту проблему современной астрофизики с космологической проблемой скрытой массы Вселенной: изотропно распределенная часть неизвестных гамма-источников может быть обусловлена аннигиляцией холодной скрытой массы в Галактике. Аннигиляция таких частиц внутри их сгустков может приводить к проявлению последних в качестве точечных гамма-источников.
Гамма-телескопом EGRET1 за время своей работы (1991–2000 гг.) сделал обзор всей небесной сферы. Полученная им картина стала значительно более полной, чем предшествующие. Было открыто множество дискретных гамма-источников и обнаружено рассеянное гамма-излучение на разных галактических широтах. Их физическое происхождение до сих пор до конца неясно. Наблюдаемое рассеянное гамма-излучение не удается объяснить целиком в рамках стандартных предположений как результат взаимодействия космических лучей со средой. Избыточное излучение может рассматриваться как проявление скрытой массы, обусловленное аннигиляцией или распадом ее частиц в Галактике. В этом случае наблюдательные данные дают косвенную информацию о новой физике скрытой массы. Однако не меньший интерес представляют обнаруженные точечные источники гамма-излучения, среди которых 1302 не отождествлены с наблюдаемыми астрофизическими объектами [1–2]. В данной работе рассматривается возможность связи этих источников с аннигиляцией скрытой массы в ее мелкомасштабных сгустках как дополнительное средство проверки ее физики.

Начавшийся в 2008 году эксперимент FERMI3 [3], превосходит EGRET по уровню чувствительности к потоку гамма-излучения, угловому разрешению. Однако в наших численных оценках мы основываемся на данных и характеристиках EGRET. Как будет видно, полученные выводы не будут сильно меняться от конкретного эксперимента и могут быть легко обобщены на случай FERMI.

Наиболее популярной является модель холодной скрытой массы (CDM4). В работах [4–6] показано, что в рамках данной модели предсказывается наличие сгустков, представляющих мелкомасштабные неоднородности плотности в ее распределении. Повышенная плотность приводит к локальному ускорению темпа аннигиляции частиц, протекающему, вообще говоря, достаточно медленно. Требование возможности аннигиляции частиц CDM с образованием гамма-квантов может приводить к проявлению сгустков на достаточном удалении в качестве точечных гамма-источников (ТГИ). В данной работе анализируется эта возможность для общих моделей кандидатов CDM.


В ранней Вселенной все частицы находились в термодинамическом равновесии с горячей плазмой. В процессе остывания плазмы аннигиляция происходила вплоть до момента закалки, когда нарушается термодинамическое равновесие за счет расширения Вселенной: частицы перестают рождаться из плазмы и, доаннигилируя, перестают вскоре взаимодействовать друг с другом. В таком состоянии система частиц доживает до современного периода, где, собираясь в сгустки, опять начинает сравнительно медленно аннигилировать.

Сечение аннигиляции частиц CDM определяет их закаленную концентрацию во Вселенной. Согласно стандартному подходу в модели Горячей Вселенной, закаленная концентрация частиц (или античастиц) n определяется уравнением Больцмана для расширяющейся Вселенной, которое можно представить в виде [7]:

, (1)

где H – постоянная Хаббла, neq – равновесное значение концентрации частиц CDM, – усредненное по максвелловскому распределению произведение сечения аннигиляции и относительной скорости частиц и античастиц CDM, выражаемое следующим образом5

, (2)

где для удобства температура введена в безразмерных единицах x = T/m.

Решение уравнения (1) [4] дает для современной Вселенной

, (3)

где n0 соответствует концентрации современной Вселенной, ρС – критической плотности, а индекс «*» – моменту закалки. Численное значение температуры закалки с хорошей точностью его можно представить как x1 = 20 – 30.

CDM в Галактике не образует плотной структуры в отличие от обычного вещества (галактический диск, звезды и др.). Несмотря на это, в ней возможны неоднородности, представляющие собой области повышенной плотности, которые возникают за счет гравитационного скучивания. Существует несколько возможных путей образования подобных неоднородностей [4]. В данной работе предполагается самый консервативный – рост первичных возмущений, созданных инфляцией, на стадии доминантности материи.

В данной работе используется модель сгустков, развитая в статьях [4,6]. Следуя данной модели, считаем, что в областях повышенной плотности образуется плотное ядро, имеющее достаточно малый размер. Профиль плотности такого сгустка имеет вид

(4)

Здесь RC ~ 0.05R – радиус ядра, а R – радиус сгустка. В настоящей работе мы выбираем κ = = 1.8, см, что соответствует работам [4, 6]. Для плотности ядра сгустка ρC интегрирование выражения (4) по объему дает значение ρC 2.4 · 104 ГэВ/см3.

За счет достаточно сильного роста плотности CDM к центру сгустка основной поток фотонов от аннигиляции частиц исходит из малой центральной части сгустка. На достаточно удаленном расстоянии такой сгусток может наблюдаться как ТГИ.

Стоит отметить, что частицы CDM, способные дать фотонный сигнал, могут не присутствовать в сгустках малых размеров и масс из-за значительной длины свободного пробега [4]. Однако для подобных сгустков возможен эффект «подтяжки» частиц за счет гравитационного взаимодействия, но в наших рассуждениях мы им пренебрегаем.

Отметим также, что согласно работам [4–6] лишь малая часть сгустков доживает до современного периода: они могут составлять долю ξ = 0.002 от полной плотности CDM в Галактике.

Исследуем возможность объяснения ТГИ с помощью аннигиляции частиц CDM внутри сгустков. Рассмотрим случай частиц скрытой массы, не привязываясь к конкретной физической модели, выбирая достаточно общий вид сечения аннигиляции. Для определенности предполагаем, что CDM состоит из частиц WIMP6 дираковского типа с массой m ~ 100 ГэВ и обладает очень слабым взаимодействием. Кроме того, предполагается наличие каналов аннигиляции WIMP с образованием фотонов. Необходимо отметить, что прямая аннигиляция с образованием фотонов подавлена, так как не предполагается, что они обладают обычным электромагнитным взаимодействием. В численных оценках для множественности аннигиляционных фотонов с энергией больше 100 МэВ использовалось значение N = 10.

При выборе вида параметризации сечения аннигиляции учтем случай, допускающий двухкомпонентную скрытую массу. При этом считаем, что вся скрытая масса состоит из стерильных для «нашего» мира частиц, которые обладают только гравитационным взаимодействием, и частицами CDM, способными давать фотонный сигнал. Также учтем возможное наличие у подобных частиц дополнительного взаимодействия кулоновского типа. Таким образом, для сечения аннигиляции WIMP предполагается параметризация

(5)

где v – относительная скорость аннигилирующих частиц, β – параметр, пробегающий для общности непрерывный ряд значений, σ0 – параметр, определяющий вклад частиц в относительную плотность, а C(v,α) – кулоновский фактор, описывающий усиление аннигиляции при малых относительных скоростях и имеющий вид [8]

, (6)

где α – постоянная тонкой структуры взаимодействия кулоновского типа. Отметим, что в случае, когда α = 0, происходит вырождение фактора (6) в единицу, что соответствует отсутствию у частиц CDM дополнительного взаимодействия кулоновского типа.

Число фотонов, рождающихся в результате аннигиляции частиц и античастиц WIMP, приходящееся на единицу площади в единицу времени на расстоянии l от центра сгустка, определяется следующим образом:

, (7)

где N – количество гамма-квантов, произведенных в одном акте аннигиляции частиц CDM, а концентрация частиц и античастиц7

. (8)

Произведение определяется с учетом того, что скорости частиц в сгустке распределены по максвелловскому закону с вириальной температурой

Tvir = GMm/2R. (9)

Минимальный поток, регистрируемый EGRET [1] и FERMI [3], составляет

Fmin EGRET ≈ 6 ∙ 10–8 см–2  с–1, Fmin FERMI ≈ 2 ∙ 10–9 см–2  с–1. (10)

Количество сгустков, которое может зарегистрировать гамма-телескоп, можно оценить как

(11)

где ncl – концентрация сгустков, а lmax – максимальное расстояние, на котором сгусток может наблюдаться. Концентрация сгустков определяется следующим образом

пк–3, (12)

где ρloc ~ 0.3 ГэВ/см3 – локальная плотность скрытой массы в окрестности Солнечной системы. Распределение сгустков в данной окрестности ожидается однородным, поэтому их распределение на небесной сфере должно быть изотропным. Зарегистрированные источники распределены в целом анизотропно. Изотропная компонента не исключена, если она насчитывает не более 40 источников. Будем считать, что такое количество гамма-источников может быть связано со сгустками скрытой массы.

Исходя из условленного количества сгустков, которое может объяснять данные EGRET (FERMI), можно выделить область допустимых значений параметров β и σ0 для наиболее предпочтительных масс сгустков [4,6] (1010106) для случаев с дополнительным взаимодействием кулоновского типа и без него. Результат представлен на рисунке, где введен фактор, учитывающий неоднозначности в выборе численных значений параметров частиц скрытой массы и модели сгустков:

(13)



Рис. 1. Допустимые и запрещенные области параметров β и σ0. Пунктиром представлены кривые,

соответствующие всей скрытой массе и ограничивающие возможные значения параметров
Как видно из рис. 1, наиболее предпочтительными значениями параметров, отвечающими конкретным кандидатам CDM, являются β = 2 и 5 · 1035 σ0 · 1034 см2 (что соответствует 1.2 · 104 Ω 1.4 · 103) для случая без дополнительного взаимодействия и β = 1 и 9 · 1035 σ0 ≤ ≤ 1.7 · 1033 см2 (что соответствует 8.3 105 Ω 3.· 103) для случая с дополнительным взаимодействием.

Было рассмотрено несколько конкретных моделей кандидатов в CDM. Среди них нейтралино, тяжелое нейтрино без дополнительного взаимодействия кулоновского типа и с ним, частицы калуцы-клейновского типа, O-He. Все кандидаты, за исключением тяжелого нейтрино, не объясняют данные EGRET, но и не противоречат им. Случаи нейтралино и тяжелого нейтрино с дополнительным взаимодействием представлены на рис. 1. Случай тяжелых нейтрино, обладающих дополнительным взаимодействием, способен дать объяснение данным EGRET в области масс 47 ≤ m ≤ 56 ГэВ. Стоит отметить, что на данную модель накладывает ограничение эксперимент CDMS [9], однако он не исключает сигнал полностью: тяжелое нейтрино в области масс 47 ≤ m ≤ ≤ 49 ГэВ способно объяснить часть неидентифицированных данных EGRET.

Авторы выражают благодарность Роберту Хартману за помощь в интерпретации результатов EGRET. Работа была выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013.




СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Hartman R.C., Bertsch D.L., Bloom S.D. et al. // ApJS. 1999. V. 123. P. 79.

  2. Casandjian J.-M., Grenier I.A. // A&A. 2008. V. 489. P. 849.

  3. The Fermi LAT Collaboration // arXiv:astro-ph/1002.2280v1.

  4. Berezinsky V., Dokuchaev V., Eroshenko Yu. // Phys. Rev. D. 2003. V. 68. P. 103003.

  5. Aloisio R., Blasi P., Olinto A. // ApJ. 2004. V. 601. P. 47.

  6. Belotsky K.M., Galper A.M. // arXiv:astro-ph/0507118v1.

  7. Scherrer R.J., Turner M.S. // Phys. Rev. D. 1986. V. 33. P. 1585.

  8. Сахаров А.Д. // ЖЭТФ. 1948. Т. 18. Вып. 7. С. 631.

  9. Sommerfeld A. // Annalen der Physik. 1931. V. 403. P. 257.

  10. The CDMS Collaboration // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. P. 011301.




1The Energetic Gamma Ray Experiment Telescope.

2 Представленные данные относятся к эксперименту EGRET. По последним данным FERMI, количество неидентифицированных гамма-источников составляет 630 [3].

3Fermi Gamma-ray Large Area Space Telescope.

4 Cold Dark Matter.

5 При этом полагается, что концентрации частиц и античастиц равны:

6 Weak Interactive Massive Particle.

7 Отметим, что для частиц майорановского типа в выражении (7) концентрация должна входить с множителем 1/2.


Похожие:

Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках iconИсследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках
Указаны области параметров моделей cdm, при которых они могут объяснять тиги и при которых модели противоречат наблюдательным данным....
Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках iconДипломная работа студента 545 группы
Исследование необходимости поддержки структурных изменений в источниках данных 35
Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках iconГамма-функция и функция Бесселя
Определение неполной гамма-функции, построение её асимптотики с помощью метода интегрирования по частям
Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках iconФионов А. Н. Внедрение скрытой информации с помощью интерполяции

Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках iconЮ. И. Трубинов " " 2006г. Инструкция
Нп-038-02, "Инструктивно-методические указания по служебному расследованию и ликвидации радиационных аварий" №2206-80., Технических...
Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках iconИсследование природы Мирового океана» фцп «Мировой океан»
В рамках мероприятий III этапа реализации подпрограммы «исследование природы мирового океана»
Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках iconТем Виды моделей данных
Ядром любой базы данных является модель данных. Модель данных представляет собой множество структур данных, ограничений целостности...
Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках iconС. 3-23. Необъясненные феномены и космоземные связи
Изложены новые подходы, связанные с квантовой нелокальностью и активными свойствами времени. Рассмотрена роль в космоземных взаимодействиях...
Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках icon«Исследование функции с помощью производной»
Урок по теме: «Исследование функций и построение графиков с помощью производной»
Исследование природы скрытой массы с помощью данных egret/fermi о точечных гамма-источниках iconЗаряженные частицы скрытой массы в космических лучах
Рассмотрены механизмы разрушения этого состояния, инжекции свободных Х в межзвездное пространство, распространение в Галактике и...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org