暗物质与暗能量

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1、暗物质与暗能量暗物质与暗能量暗物质与暗能量暗物质与暗能量 是在宇宙学研究中发现的。是在宇宙学研究中发现的。2024/9/41陆 埮 中科院 紫金山天文台2024/9/42陆 埮 中科院 紫金山天文台人的尺度在粒子与宇宙中间人的尺度在粒子与宇宙中间2024/9/43陆 埮 中科院 紫金山天文台大尺度观测事实大尺度观测事实 可见物质的平均密度： B 10-31 g/cm3 有暗物质暗物质，高1个量级 微波背景辐射（黑体、 各向同性）： T=2.726K n 400(T/2.7K)3 cm-3 Hubble关系： Z=(-e)/e=(H0/c)D H0=100h0 km/(s.Mpc) h0 0.7

2、10.07 重子-光子比： = nB/n 10-10 轻核素丰度： 4He：0.22 Y 0.24 D/H1.810-5 (D+3He)/H1.0 10-4 7Li/H (1.0-1.4) 10-10 宇宙年龄： tgc =(1.50.4) 1010年年 1/H0= (1.38 0.14) 1010年年2024/9/44陆 埮 中科院 紫金山天文台怎样测量物质怎样测量物质?暗物质暗物质2024/9/45陆 埮 中科院 紫金山天文台 光度方法光度方法n质光关系：据光度定质量n主序星质光关系： LMa, 3a 4n可见物质的平均密度： B 10-31 g/cm32024/9/46陆 埮 中科院 紫

3、金山天文台力学方法n用力学方法测出的质量往往比用光度方法测出的质量大得多，有量级之差。n测量范围越大，差别越大n存在暗物质暗物质（可大1个量级）: 有引力，却不发光有引力，却不发光2024/9/47陆 埮 中科院 紫金山天文台V R-1/2(Kepler)V const2024/9/48陆 埮 中科院 紫金山天文台星系旋转曲线星系旋转曲线曲线平坦部分远曲线平坦部分远高于高于KeplerKepler情形情形2024/9/49陆 埮 中科院 紫金山天文台7 spiral galaxies. The flatness indicates the presence of huge dark halos

4、. (V.J. Martinez, astro-ph/0203377).巨大的暗晕：巨大的暗晕：存在暗物质存在暗物质2024/9/410陆 埮 中科院 紫金山天文台暗物质的性质暗物质的性质n暗物质不发光，却有引力。n宇宙中暗物质比可见物质多得多。n暗物质粒子的主要性质： 1）长寿命； 2）主要是冷的（质量大）； 3）作用弱。n主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。 “过尽千帆皆不是过尽千帆皆不是（温庭筠（温庭筠 ）”！n可能候选者：可能候选者：Neutralino、Axion等。等。2024/9/411陆 埮 中科院 紫金山天文台 暗物质存在的其他证据暗物质存

5、在的其他证据n宇宙结构（恒星、星系）形成所需的物质远多于宇宙核合成定出的重子物质。n如果没有暗物质，就没有足够的时间形成今天宇宙的结构。有了暗物质，就可以在复合期前在暗物质中形成增长。nCMB非各向同性的存在， 105。 2024/9/412陆 埮 中科院 紫金山天文台怎样测量宇宙年龄怎样测量宇宙年龄?宇宙年龄宇宙年龄2024/9/413陆 埮 中科院 紫金山天文台 宇宙年龄的下限宇宙年龄的下限 宇宙年龄大于任何天体的年龄： 地球年龄：放射性测量 太阳系年龄： 年龄最大的球状星团： t =(1.50.4) 1010 年年 为为宇宙年龄下限宇宙年龄下限2024/9/414陆 埮 中科院 紫金山天

6、文台 宇宙年龄的上限宇宙年龄的上限n如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄： t1/H0（称哈勃年龄）n存在引力，宇宙减速膨胀， t1/H0： 哈勃年龄为宇宙年龄上限宇宙年龄上限。2024/9/415陆 埮 中科院 紫金山天文台哈勃年龄哈勃年龄 ：1/H0n真实年龄小于哈勃年龄真实年龄小于哈勃年龄2024/9/416陆 埮 中科院 紫金山天文台1929年，哈勃本人首次给出H0500（km s-1 Mpc-1）1936年，哈勃考虑到星际消光的影响，将哈勃常数改 为H0=526, 误差15%。（由此给出的宇宙哈勃年龄很短，（由此给出的宇宙哈勃年龄很短， 只有只有H0-1 = 1.84 108 年。）年。）

7、1956年，Humasion等人给出H0 = 180。1961年，Sandage等人给出H0 = 9815。1970s年， Sandage等人给出H0 = 50.34.3; de Vaculear等人给出H0 = 100 10。 哈勃常数测定的变迁哈勃常数测定的变迁目前（目前（20022002）值：）值：H H0 0=(71=(717)7) 0.950.951.151.15 km s-1 Mpc-1 1/1/H H0 0=(1.38=(1.38 0.14)0.14) 10101010 年年2024/9/417陆 埮 中科院 紫金山天文台宇宙年龄问题宇宙年龄问题n球状星团年龄的测定： t =(1

8、.50.4) 1010 年年n哈勃常数的测定： H0=(717) 0.951.15 km s-1 Mpc-1n 哈勃年龄：哈勃年龄：1/H0=(1.38 0.14) 1010 年年重要矛盾！重要矛盾！若若0，k0，真实年龄真实年龄 t0=2/3H0=(0.920.09) 1010年年2024/9/418陆 埮 中科院 紫金山天文台数学框架数学框架宇宙动力学宇宙动力学2024/9/419陆 埮 中科院 紫金山天文台Feynman 名言名言 “物理学家具有这样的习惯，对于物理学家具有这样的习惯，对于任一类现象，研究它们的最简单例子，任一类现象，研究它们的最简单例子，把这称为把这称为物理物理，而把更

9、复杂的情况，而把更复杂的情况，看作其它领域的事。看作其它领域的事。” R. P. Feynman2024/9/420陆 埮 中科院 紫金山天文台宇宙学原理宇宙学原理n宇宙在大尺度上是均匀的，没有边界，也没有中心。“一切平等。”n从每个典型星系上看到的宇宙是完全一样的。“没有任何一个地方有优先权。”2024/9/421陆 埮 中科院 紫金山天文台 宇宙动力学方程宇宙动力学方程nEinstein方程：nttnssn消去 ，得宇宙动力学方程 n临界密度（k0）： g/cm32024/9/422陆 埮 中科院 紫金山天文台 静态宇宙静态宇宙n静态宇宙：静态宇宙： 要求要求 , 即即 和和P必有一负，一

10、般是做不到的。必有一负，一般是做不到的。 为正，为正，k必为正，闭宇宙必为正，闭宇宙2024/9/423陆 埮 中科院 紫金山天文台Einstein宇宙与宇宙常数宇宙与宇宙常数 nEinstein方程n为使Einstein宇宙成为静态,要求 , 此时只要为正，、P均可为正、为正，k必为正，必为闭宇宙。2024/9/424陆 埮 中科院 紫金山天文台爱因斯坦宇宙爱因斯坦宇宙n静态n这是第一个现代宇宙学模型n线元：n空间有限而无边，时间无限n爱因斯坦模型经不起微扰，不稳定2024/9/425陆 埮 中科院 紫金山天文台Hubble定律与动态宇宙定律与动态宇宙nEinstein宇宙不稳定nHubbl

11、e定律的发现n静态不再必要n宇宙常数也不再必要，Einstein本人也后悔引入了它。2024/9/426陆 埮 中科院 紫金山天文台哈勃图哈勃图据据IaIa型超型超新星测距新星测距from JA Peacocks bookfrom JA Peacocks book（19991999）进一步提供测距方法2024/9/427陆 埮 中科院 紫金山天文台哈勃关系哈勃关系Hubble关系：关系： Z=(-e)/e=(H0/c)D H0=100 h0 km/(s.Mpc) h0=0.4 12002年：年： h0=(0.710.07)0.951.15宇宙在膨胀！宇宙在膨胀！2024/9/428陆 埮 中科

12、院 紫金山天文台Friedmann宇宙宇宙n动态n这是现代宇宙学的基础模型n线元：n空间可以有限，可以无限，但时间有限n这是动态模型，不存在不稳定性n两个两个可观测可观测参数参数：Hubble常数减速因子减速因子2024/9/429陆 埮 中科院 紫金山天文台 两个可观测参数两个可观测参数Hubble常数减速因子 H 2024/9/430陆 埮 中科院 紫金山天文台宇宙膨胀曲线宇宙膨胀曲线nk=+1 封闭，有限封闭，有限 k=0 平直，无限平直，无限 k=1 开放，无限开放，无限2024/9/431陆 埮 中科院 紫金山天文台核素丰度演化核素丰度演化2024/9/432陆 埮 中科院 紫金山天

13、文台核素丰度的确定核素丰度的确定Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2.6 10-10 nB/s 1z1的的IaIa型超新星型超新星左边为发现时刻的左边为发现时刻的超新星，中间为发超新星，中间为发现前的情形，后面现前的情形，后面为两者相减的结果。为两者相减的结果。2024/9/460陆 埮 中科院 紫金山天文台下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。2024/9/461陆 埮 中科院 紫金山天文台精确宇宙精确宇宙学学宇宙膨胀、微波背景辐射、宇宙大尺度结构等宇宙膨胀、微波背景辐射、宇宙大尺度结构等202

14、4/9/462陆 埮 中科院 紫金山天文台微波背景辐射谱微波背景辐射谱获诺贝尔奖之作获诺贝尔奖之作2024/9/463陆 埮 中科院 紫金山天文台 COBECOBE背景辐射背景辐射4 4年年5353GHzGHz全天投影全天投影DMRDMR图图n上：包括偶极矩上：包括偶极矩n中：去除偶极矩中：去除偶极矩n下：也包括下：也包括31和和90 GHz的数据，去除偶的数据，去除偶极和模型化的银河系极和模型化的银河系发射发射2024/9/464陆 埮 中科院 紫金山天文台CMB功率谱（WMAP）G. Hinshaw et al, ApJS, 148(2003), 135红线代表最佳宇宙模型D.N. Spe

15、rgel et al, ApJS, 148(2003), 175功率谱功率谱2024/9/465陆 埮 中科院 紫金山天文台超新星超新星大尺度结构大尺度结构微波背景辐射微波背景辐射的的限定范围限定范围2024/9/466陆 埮 中科院 紫金山天文台从PLANCK、SNAP等不同来源限定的wQ和m的范围。在95.4%置信度下，有 Hannestad & Mortsell, astro-ph/0205096-2.68w-0.78-2.68w-0.78看来，宇宙常数是很看来，宇宙常数是很好的解：好的解：w1。2024/9/467陆 埮 中科院 紫金山天文台A. Melchiorri, et al,

16、PRD, 2003, 68, 043509SupernovaeCMB anisotropiesHubble ConstantLarge Scale StructureBBNw2024/9/468陆 埮 中科院 紫金山天文台？可见物质、暗物质、暗能量份额可见物质、暗物质、暗能量份额nB 0.04nM 0.23n 0.7320世纪是辉煌的世纪，一直研究小到10-16厘米。从宏观到微观，甚至也包括了天体物理，原则上似乎均已 弄清楚。在世纪之交却发现， 已经弄清的原来只是不足4的小部分物质！96的物质几乎完全茫然，等待着新的爱因斯坦们！2024/9/469陆 埮 中科院 紫金山天文台1.1.宇宙均匀膨

17、胀宇宙均匀膨胀2.2.热背景辐射温度约为热背景辐射温度约为 T T 3K3K3.3.化学组成粗略地为：化学组成粗略地为： 75% 75% H, 25% He, H, 25% He, 以及微量的其余元素以及微量的其余元素4.4.通常的物质比通常的反物质要多得多通常的物质比通常的反物质要多得多5.5.宇宙微波背景辐射的绝热起伏是近似标度不变的宇宙微波背景辐射的绝热起伏是近似标度不变的6.6.宇宙在空间上是平坦的宇宙在空间上是平坦的7.7.从从1 1 kpckpc 到到 100 100 MpcMpc 标度的阶梯结构标度的阶梯结构8.8.通常物质仅是所有物质的约通常物质仅是所有物质的约1/61/69.

18、9.物质仅是所有能量的约物质仅是所有能量的约1/41/410.10.宇宙膨胀现在是加速的宇宙膨胀现在是加速的现在宇宙的主要特点现在宇宙的主要特点2024/9/470陆 埮 中科院 紫金山天文台 宇宙成分分配宇宙成分分配 Ostriker & Steinhardt, 2003, Science, 300, 1909暗能量：暗能量：73%；暗物质：；暗物质：23%；发光物质：发光物质：0.4%（恒星和发光气体（恒星和发光气体0.4%；辐射；辐射0.005%）；）；不可见的普通物质：不可见的普通物质： 3.7%（星系际气体（星系际气体3.6%； 中微子中微子0.1%；超重黑洞；超重黑洞0.04%）2

19、024/9/471陆 埮 中科院 紫金山天文台 Before WMAPWMAPHigh precision 2024/9/472陆 埮 中科院 紫金山天文台暗能量与以太暗能量与以太世纪之隔的两个世纪之隔的两个“怪物怪物”何其相似乃尔！何其相似乃尔！2024/9/473陆 埮 中科院 紫金山天文台要新的要新的Einstein吗？吗？n一个世纪以前的两朵乌云：一个世纪以前的两朵乌云： “以太以太”与与“黑体谱黑体谱” 导致了世纪导致了世纪性的成果性的成果相对论与量子力学。相对论与量子力学。n现在的两朵乌云现在的两朵乌云（三朵、四朵）：（三朵、四朵）： “暗能量暗能量”与与“暗物质暗物质”会导致什么会导致什么？n暗能量也许正在呼唤新的暗能量也许正在呼唤新的Einstein！n两者的比较耐人寻味！两者的比较耐人寻味！2024/9/474陆 埮 中科院 紫金山天文台谢谢 ！Thank You !2024/9/475陆 埮 中科院 紫金山天文台