Темная материя в Солнечной системе Кауц В.Л. Астрокосмический Центр ФИАН, Москва С.-Петербург, 30 сентября 2009 Темная материя - свойства - галактическое распределение - увеличение плотности в Солнечной системе барионное сжатие гравитационно-столкновительный механизм гравитационный захват фокусировка частиц в гравитационном поле Гравитационные аномалии в Солнечной системе - аномалия Пионеров - «flyby» аномалия - увеличение Астрономической Единицы Заключение Барионы ~ 5% Темная материя ~ 25% Темная энергия ~ 75% Темная материя кривые вращения вириальные теоремы для кластеров галактик гравитационное линзирование образование крупномасштабной структуры (CMB) физика элементарных частиц Свойства темной материи бесстолкновительная самоаннигиляция (?) – проблема каспов (v) ~ 3 10 W~ 2 26 3 1 cm s продукты аннигиляции, нагрев планет (A.Abbas&S.Abbas,1996; Mack et.al.,2007) модель Солнца WIMP, нейтралино, аксионы, гравитино, монополи, PBH, ??? Детектирование темной материи прямое W ~ nv эффект зима-лето DAMA/Libra – годовая модуляция гравитационное Галактическое распределение темной материи в окрестности Солнечной Системы 0 Гравитационный потенциал D. M . темной материи 2 r r0 Барионы r 1 r0 1 1 D.M . ~ ........ 3 r r D.M . (isothermal sphere) ~ 1 r2 Окрестность Солнечной Системы 6 ~ 10 1 M star _ disk 10 3 pc 10 23 g cm3 V 220 km s M GeV 24 g D.M . ~ star _ halo 10 10 0 . 3 pc3 cm3 cm3 V 300 f (V ) ~ e km s V2 2 2 km 220 s km V 220 s Барионное сжатие во время формирования Солнечной системы tэволюции ~ 10 лет 9 tпролета ~ 10 лет 3 t эволюции t пролета Гравитационно – столкновительный захват V∞D.M. ~ 300 km/s Vsunpar. ~ 600 km/s Солнце VsunD.M. ~ 660 km/s Связанные орбиты => потеря 10% скорости Потери энергии при однократном пролете 1016 GeV E ~ 0.56 Mx Электрический: E kin Магнитный: 1016 GeV E ~ 0.2 Mx E kin Гравитационно – столкновительный захват Гало: несколько радиусов Солнца (1 а.е. = 200 радиусов Солнца) ~5 o Резонансная подстройка: (массы частиц, типы взаимодействий, сечения) Гравитационный захват Условие захвата: Орбитальная скорость Юпитера: 13 км/сек Солнце Юпитер km km V D.M . 2 13 13 s s Сечение захвата: σ = πR2* V 2 Jupiter 2 ~G M Jupiter R* => R* = 2RO !!! Обратное рассеяние существенно, нет накопительного эффекта Гравитационно – столкновительный захват + гравитационный захват Солнце (Damour&Krauss,1999) Юпитер Касание Солнца, торможение Последующая эволюция орбиты U(r) ~ r2 + 1/r Возмущения планетами Гравитационная фокусировка частиц n∞ n(r) n const V (изотропия) n const V d n n( r ) 4 (анизотропия) ndVf (V ) если f (V ) dV V 2 V (r ) 2 2 V par (r ) V () V par (r ) _??_ V () Солнце: Vsunpar. ~ 600 km/s X par (r ) Солнце: 0 X par (r ) 2 V∞D.M. ~ 300 km/s V par (r ) V ( ) 1. малые скорости f (V ) ~ e V2 2 Vpar (r ) km X par (r ) 220 s 2 X par X 2par n(r ) n e 1 erf X par X par (r ) >>1 2 1 1 n( r ) n X par ... 3 X 2 X par par 2. сравнимые скорости f (V ) ~ e (V V ) 2 2 km 220 s V 220 km s X par (r ) n V n (r ) X par 1 erf 2 V n V par n (r ) ~ 2 V Vpar (r ) Гравитационная фокусировка частиц n (r ) ~ Vpar поверхность Солнца: внутри Солнца: 1 ~ r n (r ) ~2 n km V par (r 0) 1400 s => n (r ) ~5 n 3. большие скорости - каустика n( z, ) n n∞ n(r) 2az GM a 2 V Солнце: n( z , ) 2n ρ z R z cusp : W ~ n ~ d ~ ln 2 2 Солнце ~600 Земля nEarth ~ 1 .1 n Sikivie et.al.,2002 Каустика в линии Гелия HeI (λ = 584Ǻ) Температура и скорость межзвездной среды была измерена (Курт В.Г. и др.) Нет фокусировки планетами На орбитах Vpar 2 Vorbital Vorbital_Earth = 30 km/s Vorbital_Jupiter = 13 km/s Гало вокруг планет Vpar_Earth = 11.2 km/s Vpar_Jupiter = 61 km/s Anderson et al, Phys.Rev.D, 2002 a (8.74 1.33) 108 cm / s 2 R ~ 20 70 A.U . 1. направление (Земля, Солнце, ось вращения, направление движения) 2. a ~ cH возможные объяснения: внутренние причины; космология; MOND; гравитирующие объекты; пыль; темная материя; ??? Два плутониевых генератора Остывание (Turyshev et all, 2008; Bertolami et all, 2008) Flyby аномалия Темная материя ? Adler, 2008 свойства темной материи околоземное гало большое усиление Астрономическая Единица 1( A.U .) 1.495978706960 1011 0.1(m)( Pitjeva,2005) ( A.U .) 15 4(m / centure)( Kra sin sky, Brumberg ,2004) ??? приливное взаимодействие (Miura et all, 2009) Небесная механика в Солнечной системе ~ 10 10 4 5 Khriplovich&Pitjeva,2006; Khriplovich,2007; Iorio,2007;Frere et.al.,2008 Future missions RadioAstron – Space Interferometer, 2009 yr, ASC LPI RAS – flyby anomaly, Earth-Moon halo SAGAS – Search for Anomalous Gravitation using Atomic Sensors, ESA 2015-2025 Call for Proposals, 2020-2030 yr, t~15-20yr, payload – accelerometer, optical clock Гравитационное проявление темной материи в Солнечной Системе n ~ 10 n∞ -19 см/сек2 a ~10 D.M. Луна Земля Солнце a(РадиоАстрон) ~ 10-6 см/сек2 70 а.е. R aD.M.~3*10-15 см/сек2 a(Пионер) ~ 8*10-8 см/сек2 Проявление гало Пример Солнца: (Spergel,Press,Krauss,Freese 1985) M D.M. = 5 – 60 GeV σ ≈ 4 10 -36 см 2 Обилие 10 -12 – существенно !!! Выводы Существует ряд механизмов локального увеличения плотности частиц темной материи в Солнечной системе. Коэффициент усиления порядка нескольких единиц. Это безусловно важно для регистрации сигналов в детекторах частиц темной материи, но пока недостаточно для прямого детектирования темной материи по ее гравитационному проявлению.