《暗物质与暗能量》PPT课件.ppt

2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,1,暗物质与暗能量,陆 埮 (T. Lu) 暗物质与暗能量 是在宇宙学研究中发现的。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,2,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,3,人的尺度在粒子与宇宙中间,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,4,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，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 0.710.07, 重子-光子比： = nB/n 10-10 轻核素丰度： 4He：0.22Y0.24 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 1/H0= (1.38 0.14) 1010年,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,5,怎样测量物质?,暗物质,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,6,光度方法,质光关系：据光度定质量 主序星质光关系： LMa, 3a 4 可见物质的平均密度：,B10-31 g/cm3,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,7,力学方法,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。 测量范围越大，差别越大 存在暗物质（可大1个量级）: 有引力，却不发光,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,8,VR-1/2(Kepler),Vconst,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,9,星系旋转曲线,曲线平坦部分远 高于Kepler情形,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,10,7 spiral galaxies. The flatness indicates the presence of huge dark halos. (V.J. Martinez, astro-ph/0203377).,巨大的暗晕： 存在暗物质,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,11,暗物质的性质,暗物质不发光，却有引力。 宇宙中暗物质比可见物质多得多。 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。 主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。 “过尽千帆皆不是（温庭筠 ）”！ 可能候选者：Neutralino、Axion等。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,12,暗物质存在的其他证据,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。 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。 CMB非各向同性的存在， 105。 ,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,13,怎样测量宇宙年龄?,宇宙年龄,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,14,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 为宇宙年龄下限,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,15,宇宙年龄的上限,如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄： t1/H0（称哈勃年龄） 存在引力，宇宙减速膨胀， t1/H0： 哈勃年龄为宇宙年龄上限。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,16,哈勃年龄 ：1/H0,真实年龄小于哈勃年龄,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,17,1929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， 只有H0-1 = 1.84108 年。）,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,目前（2002）值：H0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 1/H0=(1.38 0.14)1010 年,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,18,宇宙年龄问题,球状星团年龄的测定： t =(1.50.4) 1010 年 哈勃常数的测定： H0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 哈勃年龄：1/H0=(1.38 0.14)1010 年,重要矛盾！,若0，k0，真实年龄 t0=2/3H0=(0.920.09) 1010年,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,19,数学框架,宇宙动力学,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,20,Feynman 名言,“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，把这称为物理，而把更复杂的情况，看作其它领域的事。” R. P. Feynman,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,21,宇宙学原理,宇宙在大尺度上是均匀的，没有边界，也没有中心。“一切平等。” 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。”,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,22,宇宙动力学方程,Einstein方程： tt ss 消去 ，得宇宙动力学方程 临界密度（k0）： g/cm3,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,23,静态宇宙,静态宇宙： 要求 , 即,和P必有一负，一般是做不到的。,为正，k必为正，闭宇宙,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,24,Einstein宇宙与宇宙常数,Einstein方程 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。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,25,爱因斯坦宇宙,静态 这是第一个现代宇宙学模型 线元： 空间有限而无边，时间无限 爱因斯坦模型经不起微扰，不稳定,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,26,Hubble定律与动态宇宙,Einstein宇宙不稳定 Hubble定律的发现 静态不再必要 宇宙常数也不再必要，Einstein本人也后悔引入了它。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,27,哈勃图,据Ia型超 新星测距,from JA Peacocks book（1999）,进一步提供 测距方法,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,28,哈勃关系,Hubble关系： Z=(-e)/e=(H0/c)D H0=100 h0 km/(s.Mpc) h0=0.4 1 2002年： h0=(0.710.07)0.951.15,宇宙在膨胀！,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,29,Friedmann宇宙,动态 这是现代宇宙学的基础模型 线元： 空间可以有限，可以无限，但时间有限 这是动态模型，不存在不稳定性 两个可观测参数：,Hubble常数,减速因子,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,30,两个可观测参数,Hubble常数,减速因子,H,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,31,宇宙膨胀曲线,k=+1 封闭，有限 k=0 平直，无限 k=1 开放，无限,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,32,核素丰度演化,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,33,核素丰度的确定 Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2.610-10 nB/s 6.2 10-10 相当于 B=(1.8 4.3)10-31 (g/cm3) 核素丰度可以确定重子物质密度（可见物质密度）,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,34,引力之外还有斥力？,宇宙在加速膨胀？,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,35,超新星,超新星分类： II型有氢线（大质量恒星的塌缩） Ia型没有氢线（白矮星吸积到Chandrasekhar极限质量） Ib型没有氢线、富氦（大质量恒星的塌缩） Ic型没有氢线、贫氦（大质量恒星的塌缩）,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,36,Ia型超新星,当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,37,Luminosity distance of a standard candle DL(z) = Lp/(4F)1/2,超新星宇宙学,A tight relation: Lp m15 (Phillips 1993) Multi-color light curve shape (Riess et al. 1995) The stretch method (Perlmutter et al. 1999) The Bayesian adapted template match (BATM) method (Tonry et al. 2003),2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,38,18个Ia型SN的平均峰值绝对星等：MB = -19.330.25 （Y.Wang, 2000, ApJ. 536. 531）,重要发现：加速膨胀！,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,39,超新星宇宙学哈勃图 Knop et al, astro-ph/0309368,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,40,两个重要的根本性发现,宇宙年龄问题： 球状星团年龄可能超过哈勃年龄。 宇宙膨胀问题： 现在宇宙处在加速膨胀阶段而不是减速膨胀阶段。,这是两个根本性的大问题！,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,41,伽玛暴的可能贡献,可达到的红移远高于超新星 不必考虑尘埃消光 不必考虑光度演化 不易定义稳定的物理量 误差比较大,K. Takahashi, et al, astro-ph/0305260 Z.G. Dai, et al, ApJL, 2004 G. Ghirlanda, et al, ApJL, 2004 Friedman, et al, astro-ph/0408413,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,42,jet,Ep,E,jet,伽玛暴作为标准烛光的可能性,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,43,E,jet-Ep(1+z)关系 Ghirlanda et al. (2004a); Dai, Liang & Xu (2004),2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,44,伽玛暴与超新星基本一致,伽玛暴,超新星,Dai, Liang, Xu, ApJ, 2004,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,45,GRB 定宇宙参数 Dai，Liang， Xu，ApJL，2004,还只是初步工作，尚待大幅改进,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,46,暗能量提供斥力 解释宇宙加速膨胀,暗能量,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,47,宇宙常数 ,Einstein方程： 存在相当于作如下变换： 提供了正密度(c2/8G)，负压强(c4/8G)。,正密度,负压强,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,48,宇宙常数的三起三落, Advocated by Einstein to construct a static universe, but discarded after the discovery of the expansion; Revived by Hoyle, Bondi, Put forth to explain the abundance of quasars at z2, but now known to be due to the evolution of quasars themselves.,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,49,暗 能 量,Einstein方程 显然，物质（）产生引力，导致减速；而产生斥力，导致加速。 上面 c2/4G 项实际包括两项，即 3P/c2 。,P= c4/8G,=c2/8G,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,50,能量密度,对于平坦宇宙：k0，m1,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,51,能量、宇宙常数,=c2/8G,真空能 量密度,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,52,为使宇宙加速膨胀：,设 为状态方程的一般形式，则 对于非相对论情形(普通物质)，有：w0； 对于极端相对论(辐射)，有：w1/3； 对于宇宙常数，有：w P/c2 1。,一般地来考虑（不计），为了满足加速膨胀， 必需要求w1/3，这不可能是正常物质。,物态方程,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,53,暗能量,真空能量（宇宙常数） 动力学场（Quintessence）,状态方程：,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,54,暗能量解释宇宙年龄问题,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,55,宇宙年龄,地球年龄 - 几十亿年 球状星团年龄 - 一百几十亿年 哈勃年龄 - 一百几十亿年,接近 甚至倒置,（1218 Gyr）,真实年龄更低,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,56,减速因子,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,57,L.M. Krauss, Scientific American,1999,减速,加速,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,58,真实年龄大于哈勃年龄（这一情形在宇宙常数不为0时可能出现）,哈勃年龄（1/H0）,减速,加速,等速,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,59,观测到过 去的减速， 今天的加 速。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,60,Riess, A.G. et al., astro-ph/0402512 To be published in ApJ, June, 2004,16个z1的Ia型超新星,左边为发现时刻的 超新星，中间为发 现前的情形，后面 为两者相减的结果。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,61,下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,62,精确宇宙学,宇宙膨胀、微波背景辐射、宇宙大尺度结构等,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,63,微波背景辐射谱,获诺贝尔奖之作,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,64,COBE背景辐射,4年53GHz全天投影DMR图 上：包括偶极矩 中：去除偶极矩 下：也包括31和90 GHz的数据，去除偶极和模型化的银河系发射,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,65,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. Spergel et al, ApJS, 148(2003), 175,功率谱,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,66,超新星 大尺度结构 微波背景辐射 的 限定范围,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,67,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,看来，宇宙常数是很好的解：w1。,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,68,A. Melchiorri, et al, PRD, 2003, 68, 043509,Supernovae CMB anisotropies Hubble Constant Large Scale Structure BBN,w,2019年7月22日,陆 埮 中科院 紫金山天文台,69,？,？,？,？,？,可见物质、暗物质、暗能量份额,B 0.04 M 0.23 0.73,20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