Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Совместно с французскими коллегами мы разрабатывали компьютерные коды для моделирования роста первичных неоднородностей и сопутствующей генерации магнитных полей в ранней Вселенной и коды для моделирования распространения космических лучей сверхвысоких энергий и фотонов ТэВных энергий в соответствующих неоднородных 3D картах магнитных полей. Первый набор кодов основан на пакете программ BORG и корректно воспроизводит наблюдаемые структуры в локальной окрестности Вселенной, т.е. положения и массы галактик и их скоплений, стартуя с первичных малых неоднородностей. На данный момент разработанный код воспроизводит структуры в сфере радиусом 200 Мпк от нашей Галактики и с пространственным разрешением 2 Мпк. Для отслеживания распределения вещества в нашей окрестности Вселенной использовался каталог галактик 2M ++. Второй разработанный набор кодов моделирует распространение космических лучей сверхвысоких энергий и электрон-фотонного каскада методом Монте-Карло с учётом их взаимодействий с фоновым межгалактическим излучением, а также отклонений в магнитном поле произвольной конфигурации. В качестве примера, в коде реализована модель турбулентного магнитного поля. Код содержит несколько актуальных на сегодняшний день моделей межгалактического излучения, а также позволяет использовать альтернативные модели либо в функциональной форме, либо в форме таблиц. Программа позволяет моделировать траектории ядер, протонов, нейтронов, электронов, фотонов и нейтрино, а также вторичных продуктов от их взаимодействия с фотонным фоном при распространении в межгалактической среде. Программный код был протестирован на ряде задач. Точность вычислений была подтверждена путём сравнения с существующими альтернативными решениями частично перекрывающимися по функциональности. Численное моделирование образования структур в локальной космологической окрестности и связанных с ними магнитных полей проводилось в двух подходах. В первом подходе мы использовали аналитическое моделирование. Такое моделирование показывает, что в отличие от структур с высокой плотностью, в областях войдов и филаментов различные нелинейные эффекты в эволюции магнитного поля не существенны. Его напряжённость в зависимости от плотности подчинена степенному закону "2/3". Использование результатов моделирования на основе кода BORG и такого подхода позволило нам построить трёхмерную модель магнитного поля, соответствующую наблюдаемой крупномасштабной структуре в достаточно большой окрестности Вселенной. Полученные результаты должны быть верны в областях малой плотности, занимающих большую часть объёма Вселенной. Второй подход, который мы использовали в отчётном году, – это сочетание численного моделирования крупномасштабной структуры кодом BORG, и численного моделирования магнитогидродинамики (MHD). Для этого адаптировался к условиям нашей задачи и имеющемуся программному окружению один из лучших на сегодняшний день MHD кодов – RAMSES. В качестве первого шага мы промоделировали область куба 100 Мпк вокруг источника Mkn 501. Эта область включает большую пустоту, в которой находится активная галактика блазар Mkn 501, а также окружающие её структуры. Были получены карты магнитных полей с различными начальными условиями. Разработанные коды и полученные карты магнитных полей были апробированы на задаче изучения возможности детектирования первичного магнитного поля с помощью наблюдения гало в гамма-лучах вокруг блазаров. Первичное магнитное поле величиной 1-10 пикогаусс, если оно присутствовало в эпоху рекомбинации и реионизации, может разрешить противоречие между различными измерениями константы Хаббла и объяснить пониженную прозрачность для линии 21 см при красном смещении 15<z<20. Такое магнитное поле может сохраниться до настоящего времени в войдах крупномасштабной структуры. Мы изучили возможность детектирования таких полей с помощью наблюдений ближайшего блазара с жёстким спектром телескопами CTA и продемонстрировали, что наблюдения в гамма-лучах позволят детектировать магнитное поле величиной до 10^{-11} гаусс. Комбинация ограничений из данных по микроволновому фону и гамма-лучам от блазара таким образом покрывает полный диапазон возможных космологических магнитных полей для того, чтобы проверить гипотезу об их связи с современными магнитными полями и их влиянии на эпохи рекомбинации и реионизации. Работа опубликована в электронном архиве препринтов [1] и принята к публикации в Astrophysical Journal. На разработанный код отправлена заявка на регистрацию прав в Роспатент. Исходный код опубликован на портале github.com под лицензией LGPL [2]. [1] A. Korochkin, O. Kalashev, A. Neronov and D. Semikoz, ''Sensitivity reach of gamma-ray measurements for strong cosmological magnetic fields'', arXiv: 2007.14331 [astro-ph.CO], статья принята к публикации в The Astrophysical Journal. [2] Oleg Kalashev, Alexander Korochkin, Cosmic ray propagation library, https://github.com/okolo/mcray

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Построены реалистичные трёхмерные карты напряжённостей магнитных полей во всём пространстве, включая ненаблюдаемые сегодня магнитные поля в области филаментов и войдов. 2. На основе данных, собранных детектором TALE установки Telescope Array за предшествующий четырёхлетний период наблюдений, уточнён химический состав космических лучей в диапазоне энергий от 2 ПэВ до 2 ЭэВ. Во всём энергетическом диапазоне определены фракции H, He, CNO и Fe. На низкоэнергетическом конце этого диапазона доминируют протоны, H. К середине диапазона их доля уменьшается примерно до половины, остальное составляют Не и CNO. При ещё более высоких энергиях вклад Не и CNO уменьшается, а вклады протонов и железа растут. 3. Построены реалистичные модели распространения электромагнитных каскадов от ТэВных гамма-источников. Найдено, что астрофизические магнитные поля скоплений и филаментов вызывают незначительное энергонезависимое подавление вторичного потока от источника и, таким образом, за потенциально наблюдаемую сигнатуру поля действительно ответственны космологические магнитные поля в войдах. Показана возможность детектирования космологических магнитных полей, образовавшихся во время инфляции с помощью гамма-обсерватории нового поколения CTA (Cherenkov Telescope Array, Массив черенковских телескопов). Отобраны источники гамма-излучения для такой задачи. Найдено, что блазары Mrk501, Mrk421 и 1ES 1959+650 могут быть использованы для надёжного детектирования инфляционных магнитных полей. 4. Предложен и разработан новый механизм генерации барионной асимметрии Вселенной за счёт преимущественного захвата антибарионов первичными чёрными дырами. В отличие от классического механизма А.Д. Сахарова предложенный нами механизм эффективно осуществляется в тепловом равновесии и при сохранении барионного числа во взаимодействиях элементарных частиц. Рассчитаны величины интервалов масс первичных чёрных дыр и тяжёлых барионов, необходимых для получения наблюдаемого значения барионной асимметрии Вселенной. При достаточно позднем распаде этих тяжёлых барионов продукты их распады могут вносить заметный вклад в потоки космических лучей сверхвысоких энергий. Двумя независимыми способами проведены расчёты вероятности рождения элементарных частиц полем скалярона, что позволяет разрешить противоречия между более ранними публикациями. Показано, что наличие нелинейных по кривизне слагаемых приводит к эффективному рождению частиц, причём не только на очень ранней стадии эволюции Вселенной, но и в более поздние космологические стадии при образовании крупномасштабной структуры Вселенной, что может проявиться в спектре космических лучей. 5. Показано, что уравнение движения гравитонов в искривлённом пространстве с произвольной метрикой содержит дополнительное слагаемое, не исчезающее в пределе нулевой частоты, что приводит к существенной модификации закона распространения низкочастотных гравитонов по сравнению с фридмановской космологией.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Распространение гамма-излучения в космологической среде приводит к развитию электромагнитных каскадов. Выполнено детальное сравнение точности моделирования электромагнитных каскадов в межгалактическом пространстве публично доступными Монте-Карло программами CRbeam, CRPropa3-3.1.7 и ELMAG 3.0.2. Модульная структура CRbeam и CRPropa позволяет тестировать все соответствующие процессы независимо друг от друга. Были рассмотрены два наиболее актуальных процесса, отвечающих за развитие каскада: рождение электрон-позитронных пар и обратное комптоновское рассеяние электронов и позитронов на фотонах межгалактического фонового излучения (МФИ) и реликтового излучения (РИ). Для каждого процесса интенсивность взаимодействия и распределение по энергии вторичных частиц, полученные в результате моделирования, сравнивались с теоретическими предсказаниями. Отключение всех взаимодействий позволило проверить точность распространения электронов в магнитном поле. Для ELMAG, наоборот, такая независимая проверка взаимодействий невозможна, поэтому результаты моделирования с помощью ELMAG использовались при сравнении свойств каскадного сигнала при включении всех актуальных взаимодействий. В результате сравнения было обнаружено, что предсказания спектральных, угловых и временных свойств каскадного сигнала могут различаться примерно на 50% в диапазоне энергий выше 1 ГэВ. Было установлено происхождение некоторых из этих несоответствий. После устранения найденных ошибок, все три кода демонстрируют согласие с точностью 10% при моделировании близких источников с красными смещениями z ~ 0.1. Тем не менее, упрощённое вычисление оптической толщины МФИ в CRPropa приводит к существенным различиям между модельными расчётами для источников на больших красных смещениях. Мы сообщили авторам программ о всех найденных несоответствиях и предложили решение некоторых из них. С учётом наших замечаний были выпущены новые версии программ CRPropa3 3.2 и ELMAG 3.0.3. Проведён анализ гамма-излучения блазара с жёстким спектром 1ES 0229+200 с целью поиска каскадного сигнала для получения наиболее модельно независимых ограничений на межгалактическое магнитное поле. Были проанализированы самые последние наблюдения MAGIC за пятилетний период, а также прошлые наблюдения источника телескопами H.E.S.S. и VERITAS. В дополнение к ним были использованы данные двенадцати лет наблюдений обсерваторией Fermi/LAT. На основе этих данных была установлена эволюция блеска источника в диапазоне ГэВ-ТэВ за полтора десятилетия. Мы обнаружили, что поток источника в диапазоне энергий выше 200 ГэВ колеблется вокруг своего среднего значения за 14-летний период наблюдений. В диапазоне энергий 1-100 ГэВ, доступном для Fermi/LAT, наоборот, не обнаружено свидетельств изменчивости потока. Далее мы провели моделирование каскадного сигнала с использованием Монте-Карло программ CRbeam и CRPropa, чтобы предсказать интенсивность вторичного потока гамма-излучения от источника, на основе его переменности в ТэВном диапазоне для различных значений напряжённости и корреляционной длины магнитного поля. Необнаружение переменности источника в диапазоне 1-100 ГэВ из-за вторичного гамма-излучения, накладывает нижнюю границу B > 1.8*10^{-17} Гс для поля с большой корреляционной длиной и B > 10^{-14} Гс для магнитного поля космологического происхождения. Несмотря на то, что это ограничение слабее, чем ранее полученное из анализа данных Fermi/LAT, это ограничение является более надёжным, поскольку оно основано на консервативной оценке собственного спектра источника и учитывает детали изменчивости его блеска в диапазоне энергий ГэВ-ТэВ. Исследовано распространение космических лучей ультравысоких энергий (КЛУВЭ) в стохастических межгалактических магнитных полях с колмогоровским спектром. Впервые рассмотрена трёхмерная картина отклонений протонов, распространяющихся расходящимся пучком от источника. Было обнаружено неизвестное ранее явление: даже если КЛУВЭ излучаются источником изотропно, они распределяются существенно анизотропно на расстоянии порядка ларморовского радиуса. При этом изотропное распределение восстанавливается снова на расстоянии порядка десяти ларморовских радиусов. Анизотропное распределение частиц на сфере образует нитевидную, каустикоподобную структуру. Угловой масштаб этих областей зависит от параметров и структуры магнитного поля в радиусе нескольких корреляционных длин вокруг источника. Исследовано изображение источника с точки зрения наблюдателя в нитевидной структуре. Для этого были произведены доработки программного пакета CRbeam, а именно: возможность запуска джета с заданным углом и направлением и добавление наблюдателя с заданными параметрами. Вне нитевидной структуры наблюдатель будет видеть ослабление потока. По предварительным результатам ослабление может быть более чем в сто раз. С другой стороны наблюдатель в нити или их сплетении наблюдает усиление потока КЛУВЭ в десятки раз. Кроме того, в зависимости от своего положения в нитевидной структуре наблюдатель видит источник искажённым (вытянутым перпендикулярно направлению нити) и смещённым относительно истинного направления. Проведено исследование внешнего вида источника в зависимости от спектра энергий частиц. Показано, что наблюдаемые в Telescope Array особенности распределения по направлению типа горячих пятен могут быть естественным следствием распространения в межгалактических магнитных полях. На основе результата о логнормальном спектре масс первичных чёрных дыр, полученного в наших ранних работах, были вычислены распределения по "чирп"-массам двойных систем чёрных дыр, являющихся источниками гравитационного излучения, обнаруженного на интерферометрах LIGO/Virgo. Проверкой справедливости этой гипотезы является, в частности, наличия заметного количества антиматерии в нашей Галактике. В связи с этим нами был разработан новый способ идентификации антиматерии по узким линиям рентгеновского излучения и была вычислена связь его интенсивности с предполагаемой плотностью первичных чёрных дыр. Измерение потока этого электромагнитного излучения позволило бы на основе наших расчётов оценить плотность источников гравитационных волн. Сравнение с наблюдениями демонстрирует разумное согласие, но необходимы более детальные расчёты с использованием будущих измерений. В ходе выполнения проекта были вычислены вероятности рождения элементарных частиц и гравитационных волн осцилляциями скаляронного поля. Оценён вклад, вносимый сверхтяжёлыми частицами тёмной материи в спектр космических лучей высоких энергий и показано, что он не противоречит наблюдениям. Однако наблюдение предсказанных высокочастотных гравитационных волн будет возможным лишь на детекторах следующих поколений.