ФФК 2010 С-Петербург Прецизионная спектроскопия межзвездных молекул и поиск me/mp вариаций Лапинов А.В., ИПФ РАН, Н.Новгород Левшаков С.А., ФТИ РАН, С.Петербург Козлов М.Г., СПбИЯФ РАН, Гатчина Molaro P., INAF, Trieste Henkel C., MPIfRA, Bonn Sakai T., NRO, Nobeyama Grabow J.-U., University of Hannover Guarnieri A., University of Kiel The 155+9? reported interstellar and circumstellar molecules (June 2010) http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html , http://www.astrochymist.org/astrochymist_ism.html Molecules with Two Atoms CH CN CH+ OH CO H2 SiO CS SO SiS NS C2 NO HCl NaCl AlCl KCl AlF PN SiC CP NH SiN SO+ CO+ HF LiH? SH FeO? N2 CF+ O2 PO AlO Molecules with Three Atoms HCO+ H+ H2O HCN OCS H2S HNC N2 C2H SO2 HCO HNO HCS+ HOC+ c-SiC2 MgNC C2S C3 CO2 CH2 C2O NH2 NaCN N2O MgCN H3+ SiCN AlNC SiNC HCP CCP AlOH Molecules with Four Atoms NH3 H2CO HNCO H2CS C3N HNCS HOCO+ l-C3H C3O HCNH+ H3O+ C3S c-C3H C2H2 HCCN H2CN c-SiC3 CH3 C3N- PH3? HCNO C4? HOCN? HSCN Molecules with Five Atoms HC3N HCOOH CH2NH NH2CN H2CCO C4H SiH4 c-C3H2 CH2CN C5 SiC4 l-C3H2 CH4 HC2NC HNC3 H2COH+ C4H- CNCHO Molecules with Six Atoms CH3OH CH3CN HCONH2 CH3SH C2H4 C5H CH3NC? HC2CHO l-H2C4 HC3NH+ C5N HC4H HC4N c-H2C3O CH2CNH C5NMolecules with Seven Atoms HCOCH3 CH3C2H CH3NH2 CH2CHCN HC5N C6H c-C2H4O CH2CHOH C6HMolecules with Eight Atoms HCOOCH3 CH3C3N C7H CH3COOH CH2OHCHO HC6H H2C6 CH2CHCHO CH2CCHCN NH2CH2CN Molecules with Nine Atoms CH3CH2OH CH3CH2CN CH3OCH3 HC7N CH3C4H C8H CH3CONH2 C8H- CH2CHCH3 Molecules with Ten Atoms (CH3)2CO HOCH2CH2OH NH2CH2COOH? CH3CH2CHO CH3C5N Molecules with Eleven Atoms HC9N CH3C6H C2H5OCHO Molecules with Twelve Atoms C6H6 CH3OC2H5? (CH2OH)2CO? C3H7CN Molecules with Thirteen Atoms : HC11N Общее количество идентифицированных молекул (начало работы новых инструментов) by M.Guelin, HighRus-2006 Lapinov et al. 1998 Astron. & Astrophys. 336, 1007 Одновременные карты G261.64-2.09 на 0.8мм с одинаковой диаграммой Line CS(7-6) CO(3-2) ν (MHz) 342882.85484(82) 345795.98985(16) μ0(D) 1.958(5) 0.10980(3) τ(=A-1) n* (cm-3) 20.0min 1.1x107 4.7days 3.1x104 Eup(K) 65.8 33.2 Темные облака (места, где рождаются звезды типа Солнца) – уникальные физические лаборатории Крайне низкие Тk~10K и плотности n(H2)~104…105 cm-3 Радиационное время жизни Переход Частота τ(=A-1) CO J=1–0 115 ГГц 162 дня NH3(1,1) 24 ГГц 69 дней HC3N J=2–1 18 ГГц 30 дней HCN J=1–0 87 ГГц 12 часов B68, оптика J.F. Alves, C.J. Lada & E.A. Lada 2001 Nature 409, 159 Характерная частота столкновений молекул n(H2)10-10 cm3/s~10-6…10-5 s-1 или ~ 1 раз в несколько дней Location Pico Veleta, Sierra Nevada, 45km from Granada, Spain, Long: 3°23’33.7”(W), Lat: 37°03’58.3”(N), Alt: 2920m (eQqN=275.7±1.4kHz, CN=4.7±0.3kHz) Прецизионная спектроскопия С18О J=1–0 и J=2–1 Дата VLSR(км/с) FWHM(м/с) 20-Авг-1998 7.14768(92) 186.2(10) 14-Сен-1999 7.14841(101) 186.1(17) 0.00073(137)=0.5(10)кГц C18O J=1–0 : νcal=109782.17580(15)MHz, σV=0.40м/с νobs (МГц) O–C (кГц) Ссылка 109782.160(20) 109782.1734(63) 109782.17569(40) -15.8 -2.40 -0.11 Lovas F.J. 1992 Winnewisser et al. 1992 Cazzoli, Puzzarini & Lapinov 2003 C18O J=2–1 : νcal=219560.35782(26)MHz, σV=0.36м/с νobs (МГц) O–C (кГц) Ссылка 219560.319(46) 219560.3541(15) 219560.35824(46) -38.8 -3.72 0.42 Lovas F.J. 1992 Klapper et al. 2001 Cazzoli, Puzzarini & Lapinov 2003 Особенности спектроскопии с провалом Лэмба BWO P~1мТорр Second harmonics detector Точность центра линии (Landman et al. 1982 ApJ 261, 732): K rms ( ) res FWHM Lamb W.E. 1963 3rd Int.Conf.Quant.Electr., Paris Lamb W.E.1964 Phys.Rev.134,1429 MacFarlane R.A., Bennett W.R., & Lamb W.E. 1963 Appl. Phys. Lett. 2, 189 Дрягин Ю.А. 1970 Изв. вузов: Радиофизика XIII, 141 Прецизионная субдоплеровская спектроскопия OCS G.Yu.Golubiatnikov, A.V.Lapinov, A.Guarnieri, R. Knöchel, 2005 J.Molec.Spectrosc. 234, 190 Precise Lamb-dip measurements of millimeter and submillimeter wave rotational transitions of 16O12C 34S Все частоты <500 ГГц измерены с точностью 1 кГц, в диапазоне 0.89 – 1.1 ТГц – с точностью РАД: ~10 кГц Основные результаты: Получена линейка частот с периодом 12 ГГц. Достигнутая точность расчета: 0.1 – 0.4 кГц для частот <500 ГГц 0.4 – 3.0 кГц для частот < 1 ТГц (сдвиг давлением в OCS J=3–2 < 6 кГц/Торр, De Vreede et al. 1988) ТОР25 – SciDir2005 Важнейшие результаты РАН 2005 г. (Секция 5) Учтено уширение мощностью ( Uehara & Shimoda 1971 Бакланов, Титов 1975 ) Основные результаты спектроскопии 13CO 1) Показана независимость константы сверхтонкого расщепления от J; получено превосходное согласие CI из провалов Лэмба с пучковыми результатами для J=1; повышена точность определения CI Jup Молекулярный пучек 1 2 3 4 32.59(15)a Провал Лэмба 32.70(12)b 32.67(44)c 32.59(12)c 32.60(09)c 32.88(18)c a Ozier, Lawrence & Ramsey 1968: MBMR b Meerts, de Leeuw & Dymanus 1977: MBER c Cazzoli, Puzzarini & Lapinov 2004: Lamb-dip Важность учета сверхтонкого расщепления: J=1–0 1.5CI=49кГц 133м/с J=2–1 2.5CI=82кГц 111м/с Vth(Tk=10K)=126м/с 2) Получена точность предсказания вращательного спектра 13CO 1 кГц (1) во всем диапазоне < 1 ТГц (V 1м/с для ν<1.5 ТГц) J–J/ Частота (МГц) ν/ν V (м/c) 1–0 2–1 3–2 4–3 110201.354280(37) 220398.684129(66) 330587.965223(90) 440765.17346(14) 3.4x10-10 3.0x10-10 2.7x10-10 3.2x10-10 0.10 0.09 0.08 0.09 Профили линий изотопологов СО в темных облаках без внутренних источников (использование прецизионных частот для диагностики внутренних движений) Lapinov 2006 SPIE Proceedings 6580, 6858001 Радиоастрономическая спектроскопия H15NC Определение частоты H15NC J=1-0: Лабораторные измерения: 88 865.692(26)МГц Lovas F.J., 2004 (Saykally et al. 1976, Ohio Symposium #31) 88 865.715(40)МГц Pearson et al. 1976 88 865.709(45)МГц Maki et al. 2001 Радиоастрономические оценки: 88 865.6964(26)МГц (9 темных облаков) 88 865.6954(44)МГц (23 темных облака) Lapinov 2006 SPIE Proceedings 6580, 6858001 Радиоастрономическая спектроскопия H15NC Определение частоты H15NC J=1-0: Лабораторные измерения: 88 865.692(26)МГц Lovas F.J., 2004 (Saykally et al. 1976, Ohio Symposium #31) 88 865.715(40)МГц Pearson et al. 1976 88 865.709(45)МГц Maki et al. 2001 Радиоастрономические оценки: 88 865.6964(26)МГц (9 темных облаков) 88 865.6954(44)МГц (23 темных облака) H.Bechtel (MIT) измерения в струе: 88 865.6966(14)МГц 88 865.6958(8)МГц (Global B, D, H fit) Одинаковы ли всюду частоты молекул? Насколько универсальны свойства Вселенной в разных областях? Можем ли мы обнаружить небольшие отличия измеряя спектры разного типа переходов? Объекты исследования – плотные холодные ядра темных облаков на дозвездной стадии HCO+ CS CO CCS N2H+ NH3 HCN HC3N NH3 N2D+ 105 N H+ 2 cm-3 2,000 AU 104 cm-3 5,000 AU 7,000 AU 15,000 AU Чувствительность сдвигов линий к отношению μ=me/mp vib /vib = 0.5 / rot /rot = 1.0 / inv /inv = 4.5 / Flambaum V.V., Kozlov M.G., 2007, Phys. Rev. Lett., v.98, p.240801 HCN Возможность вариаций me/mp: Olive K.A., Pospelov M., 2008, Phys. Rev. D., v.77, p.043524 Гравитационное смещение частоты ν=ν0/(1+z), z=GM/c2R Для g=GM/R2=9.81м/c z=7.0x10-10, или 0.21м/с Для n0=105см-3, r0=0.1пк z=1.0x10-11, или 0.003м/с Для n(r)= n0(r0/R)2, R=1пк z=2.8x10-11, или 0.008м/с double-well potential of the inversion vibrational mode of NH3 U(x) N H H H H H H N N H H H 10-4 eV H 1.3 cm H x H N E=23.3 K inv /inv = 4.5 / NH3 J,K=1,1 inv= 23694.495487(48)MHz E=22.1 K 18 hf components, σV=0.61m/s S.G. Kukolich, 1967, Phys.Rev. 156, 83 Сверхтонкая структура HC3N rot /rot = 1.0 / E=2.6 K J F – J F Frequency(MHz) shift(km/s) σV=2.8m/s 2 1 – 1 1 18198.37461(17) -35.54874(9) 2 1 – 1 2 18197.07688(17) -14.16804(7) 2 3 – 1 2 18196.31047(17) -1.54098(2) 2 2 – 1 1 18196.21694(17) 0.00000(0) 2 1 – 1 0 18195.13615(17) 17.80653(4) 2 2 – 1 2 18194.91922(17) 21.38070(6) E=1.3 K HC3N J=1–0 data: de Zafra R.L., 1971 ApJ 170, 165 eQqN, CN data: R.L. DeLeon and J.S. Muenter, 1985, J.Chem.Phys. 82, 1702 E=0 K Searching for chameleon-like scalar fields with the ammonia method 2010, Astron.Astrophys., v.512, A44; v.524, A32 S.A.Levshakov, P.Molaro, A.V.Lapinov, D.Reimers, C.Henkel, T.Sakai S.A.Levshakov, A.V.Lapinov, C.Henkel, P.Molaro, D.Reimers, M.G.Kozlov, I.I.Agafonova 32m MEDICINA (Bologna) Italy 100m EFFELSBERG (Bonn) Germany 45m NOBEYAMA (NRAO) Japan NH3 HC3N NH3 HC3N NH3 N2H+ Vrot–Vinv Результаты измерений NH3(1,1) и HC3N(2-1) в L1512 V(HC3N) – V(NH3) = 26.5 1.2 m/s Результаты измерений NH3(1,1) и HC3N(2-1) в L1498 V(HC3N) – V(NH3) = 27.3 1.6 m/s V(HC3N) – V(NH3) = 24.7 1.5 m/s Воспроизводимость измерений в 2009 и 2010 гг: Vrot /c = -1.0 / Vinv /c = -4.5 / /=0.3(Vrot -Vinv)/c Среднее по 12 источникам: V = 27.7 3.8stat 2.8sys m/s / = (2.6 0.4stat 0.3sys)10-8 Примеры измеренных профилей HCN при разном спектральном разрешении (IRAM Newsletters 54, 2002 | Выбор источников из Fuller & Myers 1993 ApJ 418, 273: NH3, HC3N) Исследования внутренней структуры темного облака L1512 (0,0): V(HC3N) – V(NH3) = 26.5 1.2 m/s 10 points: V(HC3N) – V(NH3) = 26.6 2.8 m/s 0.4 VNH3 3 VHC3 N 0.35 FWHM(NH3), km/s 0.3 VNH 3 VHC3 N 0.25 0.2 0.15 0.1 0.1 V 0.15 0.2 2kTk V 2turb M 0.3 0.25 FWHM(HC3N), km/s 0.35 0.4 Зависимость измеренной ширины линии в NH3 (1,1) от ширины в HC3N J=2-1. Видно, что все источники соответствуют случаю, промежуточному между турбулентным и чисто тепловым. Определение кинетической температуры и турбулентной скорости V 2kTk V 2turb M Объект Температура T (К) Турбулентная скорость V turb (м/с) L1498 8.5(1.4) 74(9) L1495 11.8(4.3) 97(21) L1400K 6.7(2.9) 84(16) CB22 14.8(3.8) 51(36) TMC-1Ca 6.2(2.4) 93(11) L1517B 4.1(2.4) 104(11) L1512 10.2(1.1) 53(9) L1251C 8.2(8.3) 131(31) L260-NH3 4.2(1.8) 88(9) L234A 11.1(6.4) 121(25) B335 22.4(7.9) 175(22) Sensitivity of microwave spectra of deuterated ammonia to the variation of the electron-to-proton mass ratio 2010, J. Phys. B., v.43, A44 M.G. Kozlov, A.V. Lapinov, S.A.Levshakov Заключение Если бы доплеровский сдвиг частот вращательных линий HC3N J=2–1 относительно инверсионного перехода NH3(1,1) действительно составлял ΔV=Vrot– Vinv=(27.7±3.8stat±2.8sys) м/с, то из измерений на 100м радиотелескопе в Эффельсберге мы могли бы предполагать Δμ/μ=(μobs–μlab)/μlab=(2.6±0.4stat±0.3sys)·10-8. Однако, на основании измерений на NRO-45m в HC3N J=5–4 и NH3(1,1) в L1498, давших Vrot–Vinv=–0.1±2.8 м/с, а также измерений на 32м зеркала в Медичине в HC3N J=2–1 и NH3(1,1) в L1498 и L1512, давших Vrot–Vinv=–2.4±4.0 м/с и +0.5±3.2 м/с, можно заключить, что для разницы |ΔV|<3 м/с мы имеем |Δµ/µ|<3·10-9, что на три порядка точнее, чем космологические оценки параметра µ. Иногда бывает, что “high precision” не тождественна “high accuracy”: