Лапинов А.В., ИПФ РАН, Н.Новгород

Левшаков С.А., ФТИ РАН, С.ПетербургКозлов М.Г., СПбИЯФ РАН, Гатчина

Molaro P., INAF, Trieste Grabow J.-U., University of HannoverHenkel C., MPIfRA, Bonn Guarnieri A., University of KielSakai T., NRO, Nobeyama

Прецизионная спектроскопия межзвездных

молекул и поиск me/mp вариаций

ФФК 2010С-Петербург

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 AtomsH2O HCO+ HCN OCS H2S HNC N2H+ 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 AtomsHC3N 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 C5N- Molecules with Seven Atoms

HCOCH3 CH3C2H CH3NH2 CH2CHCN HC5N C6H c-C2H4O CH2CHOH C6H-

Molecules with Eight AtomsHCOOCH3 CH3C3N C7H CH3COOH CH2OHCHO HC6H H2C6 CH2CHCHO CH2CCHCN NH2CH2CN

Molecules with Nine AtomsCH3CH2OH CH3CH2CN CH3OCH3 HC7N CH3C4H C8H CH3CONH2 C8H- CH2CHCH3

Molecules with Ten Atoms(CH3)2CO HOCH2CH2OH NH2CH2COOH? CH3CH2CHO CH3C5N

Molecules with Eleven AtomsHC9N CH3C6H C2H5OCHO Molecules with Twelve AtomsC6H6 CH3OC2H5? (CH2OH)2CO? C3H7CN

Molecules with Thirteen Atoms : HC11N

Общее количество идентифицированных молекул(начало работы новых инструментов)

by M.Guelin, HighRus-2006

Одновременные карты G261.64-2.09 на 0.8мм с одинаковой диаграммой

Lapinov et al. 1998 Astron. & Astrophys. 336, 1007

Line ν (MHz) μ0(D) τ(=A-1) n* (cm-3) Eup(K)CS(7-6) 342882.85484(82) 1.958(5) 20.0min 1.1x107 65.8CO(3-2) 345795.98985(16) 0.10980(3) 4.7days 3.1x104 33.2

Темные облака (места, где рождаются звезды типа Солнца) – уникальные физические лаборатории

J.F. Alves, C.J. Lada & E.A. Lada 2001 Nature 409, 159

B68, оптика

Радиационное время жизни

Переход Частота τ(=A-1) CO J=1–0 115 ГГц 162 дняNH3(1,1) 24 ГГц 69 днейHC3N J=2–1 18 ГГц 30 днейHCN J=1–0 87 ГГц 12 часов

Крайне низкие Тk~10K иплотности n(H2)~104…105 cm-3

Характерная частотастолкновений молекулn(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

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=1–0 : νcal=109782.17580(15)MHz, σV=0.40м/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

C18O J=2–1 : νcal=219560.35782(26)MHz, σV=0.36м/с

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

Особенности спектроскопии с провалом ЛэмбаBWO

Secondharmonics detector

Lamb W.E. 19633rd Int.Conf.Quant.Electr., Paris Lamb W.E.1964 Phys.Rev.134,1429MacFarlane R.A., Bennett W.R., & Lamb W.E. 1963 Appl. Phys. Lett. 2, 189 Дрягин Ю.А. 1970Изв. вузов: Радиофизика XIII, 141FWHMK res)(

rms

Точность центра линии (Landman et al. 1982 ApJ 261, 732):

P~1мТорр

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 кГцОсновные 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)

Прецизионная субдоплеровская спектроскопия OCS

ТОР25 – SciDir2005Важнейшие результатыРАН 2005 г. (Секция 5)

Учтено уширение мощностью ( Uehara & Shimoda 1971 Бакланов, Титов 1975 )

J=1–0 1.5CI=49кГц 133м/сJ=2–1 2.5CI=82кГц 111м/с Vth(Tk=10K)=126м/с

Основные результаты спектроскопии 13CO

Jup Молекулярный пучек Провал Лэмба

1 32.59(15)a 32.70(12)b 32.67(44)c

2 32.59(12)c

3 32.60(09)c

4 32.88(18)c

a Ozier, Lawrence & Ramsey 1968: MBMRb Meerts, de Leeuw & Dymanus 1977: MBERc Cazzoli, Puzzarini & Lapinov 2004: Lamb-dip

1) Показана независимость константы сверхтонкого расщепления от J; получено превосходное согласие CI из провалов Лэмба с пуч-ковыми результатами для J=1; повышена точность определения CI

Важность учета сверхтонкого расщепления:

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 110201.354280(37) 3.4x10-10 0.10

2–1 220398.684129(66) 3.0x10-10 0.09

3–2 330587.965223(90) 2.7x10-10 0.08

4–3 440765.17346(14) 3.2x10-10 0.09

Профили линий изотопологов СО в темных облаках без внутренних источников (использование прецизионных частот для диагностики внутренних движений)

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. 197688 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)

Радиоастрономическая спектроскопия H15NCLapinov 2006 SPIE Proceedings 6580, 6858001

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. 197688 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)МГц88 865.6958(8)МГц (Global B, D, H fit)

Радиоастрономическая спектроскопия H15NCLapinov 2006 SPIE Proceedings 6580, 6858001

Одинаковы ли всюду частоты молекул?

Насколько универсальны свойства Вселенной в разных областях?

Можем ли мы обнаружитьнебольшие отличия

измеряя спектры разноготипа переходов?

CS COHCO+

CCS

NH3N2H+

NH3 N2D+

15,000 AU

7,000 AU

5,000 AU

2,000 AU

104 cm-3

105 cm-3

Объекты исследования – плотные холодные ядра темных облаков на дозвездной стадии

HCN

HCN

vib /vib = 0.5 /rot /rot = 1.0 /inv /inv = 4.5 /

Чувствительность сдвигов линий к отношению μ=me/mp

Flambaum V.V., Kozlov M.G., 2007, Phys. Rev. Lett., v.98, p.240801

Гравитационное смещение частоты ν=ν0/(1+z), z=GM/c2R

Для g=GM/R2=9.81м/c z=7.0x10-10, или 0.21м/сДля n0=105см-3, r0=0.1пк z=1.0x10-11, или 0.003м/сДля n(r)= n0(r0/R)2, R=1пк z=2.8x10-11, или 0.008м/с

HC3N

N2H+

Возможность вариаций me/mp:Olive K.A., Pospelov M., 2008, Phys. Rev. D., v.77, p.043524

N

N

H

H

H

H

H

H

HHH

HHH

N N

10-4 eV

1.3 cm

U(x)

x

double-well potential of the inversion vibrational mode of NH3

NH3 J,K=1,1 inv= 23694.495487(48)MHz

18 hf components, σV=0.61m/sS.G. Kukolich, 1967, Phys.Rev. 156, 83

E=22.1 K

E=23.3 K

inv /inv = 4.5 /

Сверхтонкая структура HC3N

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)

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

E=1.3 K

E=2.6 K

rot /rot = 1.0 /

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:

V = 27.7 3.8stat 2.8sys m/s

Vrot /c = -1.0 /Vinv /c = -4.5 /

/=0.3(Vrot -Vinv)/c

/ = (2.6 0.4stat 0.3sys)10-8

Среднее по 12 источникам:

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

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.

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

FWHM(HC3N), km/s

FW

HM

(NH

3),

km

/s

3 33NH HC NV V

3 3NH HC NV V

22 kturb

kTV V

M

Определение кинетической температуры и турбулентной скорости

22 kturb

kTV V

M

Объект Температура T (К)

Турбулентная скоростьV 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

ЗаключениеЕсли 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”: