Научные направления отдела теоретической астрофизики и космологии АКЦ ФИАН
Сотрудники отдела проводят научные исследования в наиболее актуальных областях космологии, теоретической и вычислительной астрофизики.
Инфляция и физические процессы в ранней Вселенной
Среди основных задач современной космологии особую значимость имеет доказательство инфляционной теории эволюции Вселенной и изучение фундаментальных физических процессов, происходивших в дорекомбинационную эпоху ранней Вселенной. Деятельность отдела непосредственно связана с решением этих двух важнейших проблем.
Предложенная более 40 лет назад парадигма космологической инфляции - сверхбыстрого расширения Вселенной - является основной моделью очень ранней Вселенной. Поскольку космология опирается на наблюдательные данные, уточнение параметров космологической модели приводит к развитию теоретических представлений о самых ранних этапах эволюции Вселенной. Важнейшими наблюдательными доказательствами инфляционной теории являются: соответствующий наклон спектра возмущений плотности, гауссовость начальных возмущений и наличие тензорных возмущений (первичных гравитационных волн).
Наклон спектра мощности с хорошей точностью определен из измерений угловой анизотропии реликтового излучения (РИ), что позволило существенно ограничить значения параметров инфляции. Сотрудниками отдела предложена модель инфляции, для которой характерно наличие двух различных асимптотик в области больших (порядка размера горизонта) и малых (менее мегапарсека) масштабов, как для возмущений плотности, так и для гравитационных волн, что позволяет связать значения параметров космологической инфляции на этих масштабах.
Изучение гауссовости начальных возмущений связано с их фазовым распределением в пространстве. Сотрудниками отдела предложены различные методы установления гауссовости и негауссовости начальных возмущений по статистическим характеристикам анизотропии и поляризации РИ.
Регистрация так называемой В-моды в поляризации РИ позволит подтвердить существование первичных гравитационных волн, что также будет являться подтверждением инфляционной теории. Недостаточная чувствительность проведенных экспериментов и наличие в поляризации РИ дополнительной В-компоненты, обусловленной космическими фонами, пока не позволяют зарегистрировать первичные гравитационные волны. Решение этой задачи требует развития новых математических методов анализа карт поляризации РИ. В этом направлении сотрудниками отдела ведутся активные исследования.
Согласно современным космологическим моделям в дорекомбинационную эпоху развития Вселенной происходили физические процессы, сопровождаемые энерговыделением, что неизбежно привело к искажению частотного спектра РИ. Регистрация таких искажений представляет собой дополнительный канал информации о физике процессов в ранней Вселенной, а также уникальный способ определения химического потенциала Вселенной. Сложность, как самих наблюдений, так и их последующего анализа, связана с существованием фонового излучения различной природы. Отделение существующих космических фонов от искомого сигнала является крайне сложной задачей, решением которой занимаются сотрудники отдела.
Крупномасштабная структура Вселенной
Вещество во Вселенной распределено неоднородно. Оно собрано в галактиках, которые, в свою очередь, образуют скопления, сверхскопления, и ячеистую структуру Вселенной. Неоднородность возникла в самые ранние моменты жизни Вселенной, и она определяет скорость роста галактик, частоту их слияний, распределение по массам и другие характеристики. Изучение неоднородности Вселенной позволяет определять свойства темной материи и темной энергии, а также начальный спектр неоднородностей в эпоху инфляции. Для этого применяются космологические численные модели, в которых воспроизводится распределение галактик в больших объемах, их скорости и внутреннее строение. Сотрудники отдела являются экспертами мирового уровня в вопросах изучения крупномасштабной структуры Вселенной и успешно решают актуальные задачи этого научного направления.
Свойства и Эволюция Ранних Галактик
В настоящее время с запуском современных космических обсерваторий и введением в строй крупных наземных телескопов стали возможны наблюдения самых ранних галактик, которые находятся на красных смещениях больше 10. Анализ имеющихся данных и моделирование ожидаемых результатов позволяют проверить существующие теории формирования и эволюции галактик и компонент, из которых они состоят (гало темной материи, тонкий и толстый звездные диски, балдж). В рамках подготовки научной программы космической обсерватории Миллиметрон сотрудники отдела моделируют свойства первых галактик в субмиллиметровом и далеком инфракрасном диапазоне, а также разрабатывают стратегию их наблюдений, в том числе с использованием методов гравитационного линзирования на массивных скоплениях галактик. Кроме того, отдельной важнейшей задачей остается вопрос формирования в центрах первых галактик сверхмассивных черных дыр (СМЧД).
Релятивистские объекты: сверхмассивные черные дыры и кротовые норы
В настоящее время является твердо установленным фактом, что в центральных областях массивных галактик существуют СМЧД. Несколько лет назад впервые получены изображения СМЧД в центре нашей галактики и М87. Кольцеобразная структура этих изображений отмела последние сомнения в том, что СМЧД существуют. Эти объекты являются лабораторией для тестирования Общей Теории Относительности и изучения физических процессов в сильных гравитационных полях. Помимо построения и анализа изображений СМЧД большой интерес представляет исследование процессов их коэволюции с хозяйскими галактиками, в которых они расположены, а также моделирование спектров двойных СМЧД.
Также сотрудниками отдела ведутся исследования физики гипотетических объектов – кротовых нор – и их наблюдательных проявлений. Изучается возможность их обнаружения с помощью космической обсерватории Миллиметрон и другими астрофизическими инструментами. Выполняются работы по построению теней кротовых нор и исследование их наблюдательных отличий от теней черных дыр. Сотрудники отдела являются экспертами мирового уровня в этом научном направлении.
Физика межзвездной среды
Пространство между звездами заполнено газом, пылевыми частицами, космическими лучами, различного рода полями. Все эти компоненты взаимодействуют между собой и со звездами: из газа рождаются новые звезды, которые ионизуют окружающий газ, наиболее массивные из них взрываются и выбрасывают наработанные в ходе эволюции в своих недрах тяжелые элементы, обогащая окружающий газ и изменяя его химическую и тепловую эволюцию. Множественные взрывы звезд в звездных скоплениях приводят к появлению крупномасштабных истечений из галактик. Галактические истечения являются источниками выброса энергии и обогащенного тяжелыми элементами газа из галактик в межгалактическую среду, определяя тем самым ионизационную и химическую эволюцию Вселенной. Детальные наблюдения межзвездной среды в галактиках разных типов и возрастов привели к появлению многочисленных вопросов о количестве тяжелых элементов и пыли, начале звездного нуклеосинтеза, росте сверхмассивных черных дыр и т. д. Численное моделирование процессов в межзвездной среде, которым успешно занимаются сотрудники отдела, как и планируемые наблюдения с помощью космического телескопа «Миллиметрон», позволят ответить на многие из этих вопросов.
Приливные взаимодействия
Приливные взаимодействия играют важную роль в близких двойных системах и системах, содержащих экзопланеты типа горячих Юпитеров. Сотрудниками отдела, исходя из первых принципов, была создана теория динамических приливных взаимодействий, которая способна объяснить наблюдательные проявления. Одна из проблем, которая здесь возникает, заключается в понимании процессов диссипации приливного потока. Именно процессы диссипации определяют наблюдательные проявления в близких двойных системах. За последние десять лет, благодаря миссиям Kepler, WASP и другие, появилось огромное количество наблюдательных данных. Сотрудники отдела сопоставляют теорию с наблюдениями и анализируют физику данного явления.
Первичные Черные Дыры
Известно, что во Вселенной присутствует подверженная гравитационному скучиванию темная материя, уравнение состояния которой соответствует уравнению состояния пыли. Что является физическим носителем этой холодной темной материи до сих пор остается неизвестным, при этом список кандидатов в частицы темной материи достаточно велик. При этом зарегистрированные гравитационно-волновыми детекторами слияния черных дыр, вероятно, обладают малым собственным моментом вращения, что нехарактерно для астрофизических черных дыр, но ожидаемо для первичных черных дыр (ПЧД). На возможность возникновения такого рода объектов было указано более полусотни лет назад, а в настоящее время интерес к ним неизменно растет. Сотрудники отдела занимаются задачами, связанными с изучением свойств ПЧД.
