暗物質(zhì)與暗能量-75頁P(yáng)PT課件

1、暗物質(zhì)與暗能量陸 埮 (T. Lu)暗物質(zhì)與暗能量 是在宇宙學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)的。2022/7/241陸 埮 中科院 紫金山天文臺2022/7/242陸 埮 中科院 紫金山天文臺人的尺度在粒子與宇宙中間2022/7/243陸 埮 中科院 紫金山天文臺大尺度觀測事實(shí) 可見物質(zhì)的平均密度： B 10-31 g/cm3 有暗物質(zhì)，高1個量級 微波背景輻射（黑體、 各向同性）： T=2.726K n 400(T/2.7K)3 cm-3 Hubble關(guān)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 輕核素豐度：

2、4He：0.22Y0.24 D/H1.810-5 (D+3He)/H1.0 10-4 7Li/H (1.0-1.4) 10-10 宇宙年齡： tgc =(1.50.4) 1010年 1/H0= (1.38 0.14) 1010年2022/7/244陸 埮 中科院 紫金山天文臺怎樣測量物質(zhì)?暗物質(zhì)2022/7/245陸 埮 中科院 紫金山天文臺 光度方法質(zhì)光關(guān)系：據(jù)光度定質(zhì)量主序星質(zhì)光關(guān)系： LMa, 3a 4可見物質(zhì)的平均密度： B10-31 g/cm32022/7/246陸 埮 中科院 紫金山天文臺力學(xué)方法用力學(xué)方法測出的質(zhì)量往往比用光度方法測出的質(zhì)量大得多，有量級之差。測量范圍越大，差別越

3、大存在暗物質(zhì)（可大1個量級）: 有引力，卻不發(fā)光2022/7/247陸 埮 中科院 紫金山天文臺VR-1/2(Kepler)Vconst2022/7/248陸 埮 中科院 紫金山天文臺星系旋轉(zhuǎn)曲線曲線平坦部分遠(yuǎn)高于Kepler情形2022/7/249陸 埮 中科院 紫金山天文臺7 spiral galaxies. The flatness indicates the presence of huge dark halos. (V.J. Martinez, astro-ph/0203377).巨大的暗暈：存在暗物質(zhì)2022/7/2410陸 埮 中科院 紫金山天文臺暗物質(zhì)的性質(zhì)暗物質(zhì)不發(fā)光，卻有引

4、力。宇宙中暗物質(zhì)比可見物質(zhì)多得多。暗物質(zhì)粒子的主要性質(zhì)： 1）長壽命； 2）主要是冷的（質(zhì)量大）； 3）作用弱。主要暗物質(zhì)粒子不可能是普通物質(zhì)粒子。 “過盡千帆皆不是（溫庭筠 ）”！可能候選者：Neutralino、Axion等。2022/7/2411陸 埮 中科院 紫金山天文臺 暗物質(zhì)存在的其他證據(jù)宇宙結(jié)構(gòu)（恒星、星系）形成所需的物質(zhì)遠(yuǎn)多于宇宙核合成定出的重子物質(zhì)。如果沒有暗物質(zhì)，就沒有足夠的時間形成今天宇宙的結(jié)構(gòu)。有了暗物質(zhì)，就可以在復(fù)合期前在暗物質(zhì)中形成增長。CMB非各向同性的存在， 105。 2022/7/2412陸 埮 中科院 紫金山天文臺怎樣測量宇宙年齡?宇宙年齡2022/7/24

5、13陸 埮 中科院 紫金山天文臺 宇宙年齡的下限 宇宙年齡大于任何天體的年齡： 地球年齡：放射性測量 太陽系年齡： 年齡最大的球狀星團(tuán)： t =(1.50.4) 1010 年 為宇宙年齡下限2022/7/2414陸 埮 中科院 紫金山天文臺 宇宙年齡的上限如果宇宙是等速膨脹，則宇宙年齡： t1/H0（稱哈勃年齡）存在引力，宇宙減速膨脹， t1/H0： 哈勃年齡為宇宙年齡上限。2022/7/2415陸 埮 中科院 紫金山天文臺哈勃年齡 ：1/H0真實(shí)年齡小于哈勃年齡2022/7/2416陸 埮 中科院 紫金山天文臺1929年，哈勃本人首次給出H0500（km s-1 Mpc-1）1936年，哈勃

6、考慮到星際消光的影響，將哈勃常數(shù)改 為H0=526, 誤差15%。（由此給出的宇宙哈勃年齡很短， 只有H0-1 = 1.84108 年。）1956年，Humasion等人給出H0 = 180。1961年，Sandage等人給出H0 = 9815。1970s年， Sandage等人給出H0 = 50.34.3; de Vaculear等人給出H0 = 100 10。 哈勃常數(shù)測定的變遷目前（2019）值：H0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 1/H0=(1.38 0.14)1010 年2022/7/2417陸 埮 中科院 紫金山天文臺宇宙年齡問題球狀星團(tuán)年齡的測定： t =

7、(1.50.4) 1010 年哈勃常數(shù)的測定： H0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 哈勃年齡：1/H0=(1.38 0.14)1010 年重要矛盾！若0，k0，真實(shí)年齡 t0=2/3H0=(0.920.09) 1010年2022/7/2418陸 埮 中科院 紫金山天文臺數(shù)學(xué)框架宇宙動力學(xué)2022/7/2419陸 埮 中科院 紫金山天文臺Feynman 名言 “物理學(xué)家具有這樣的習(xí)慣，對于任一類現(xiàn)象，研究它們的最簡單例子，把這稱為物理，而把更復(fù)雜的情況，看作其它領(lǐng)域的事?！?R. P. Feynman2022/7/2420陸 埮 中科院 紫金山天文臺宇宙學(xué)原理宇宙在大尺度

8、上是均勻的，沒有邊界，也沒有中心。“一切平等。”從每個典型星系上看到的宇宙是完全一樣的?！皼]有任何一個地方有優(yōu)先權(quán)?！?022/7/2421陸 埮 中科院 紫金山天文臺 宇宙動力學(xué)方程Einstein方程：ttss消去 ，得宇宙動力學(xué)方程 臨界密度（k0）： g/cm32022/7/2422陸 埮 中科院 紫金山天文臺 靜態(tài)宇宙靜態(tài)宇宙： 要求 , 即和P必有一負(fù)，一般是做不到的。為正，k必為正，閉宇宙2022/7/2423陸 埮 中科院 紫金山天文臺Einstein宇宙與宇宙常數(shù)Einstein方程為使Einstein宇宙成為靜態(tài),要求 , 此時只要為正，、P均可為正、為正，k必為正，必為閉

9、宇宙。2022/7/2424陸 埮 中科院 紫金山天文臺愛因斯坦宇宙靜態(tài)這是第一個現(xiàn)代宇宙學(xué)模型線元：空間有限而無邊，時間無限愛因斯坦模型經(jīng)不起微擾，不穩(wěn)定2022/7/2425陸 埮 中科院 紫金山天文臺Hubble定律與動態(tài)宇宙Einstein宇宙不穩(wěn)定Hubble定律的發(fā)現(xiàn)靜態(tài)不再必要宇宙常數(shù)也不再必要，Einstein本人也后悔引入了它。2022/7/2426陸 埮 中科院 紫金山天文臺哈勃圖據(jù)Ia型超新星測距from JA Peacocks book（2019）進(jìn)一步提供測距方法2022/7/2427陸 埮 中科院 紫金山天文臺哈勃關(guān)系Hubble關(guān)系： Z=(-e)/e=(H0/c

10、)D H0=100 h0 km/(s.Mpc) h0=0.4 12019年： h0=(0.710.07)0.951.15宇宙在膨脹！2022/7/2428陸 埮 中科院 紫金山天文臺Friedmann宇宙動態(tài)這是現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)模型線元：空間可以有限，可以無限，但時間有限這是動態(tài)模型，不存在不穩(wěn)定性兩個可觀測參數(shù)：Hubble常數(shù)減速因子2022/7/2429陸 埮 中科院 紫金山天文臺 兩個可觀測參數(shù)Hubble常數(shù)減速因子 H2022/7/2430陸 埮 中科院 紫金山天文臺宇宙膨脹曲線k=+1 封閉，有限 k=0 平直，無限 k=1 開放，無限2022/7/2431陸 埮 中科院 紫金山

11、天文臺核素豐度演化2022/7/2432陸 埮 中科院 紫金山天文臺核素豐度的確定Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2.610-10 nB/s 1的Ia型超新星左邊為發(fā)現(xiàn)時刻的超新星，中間為發(fā)現(xiàn)前的情形，后面為兩者相減的結(jié)果。2022/7/2460陸 埮 中科院 紫金山天文臺下圖是上圖的加權(quán)平均。清晰表明在高紅移下偏向減速。2022/7/2461陸 埮 中科院 紫金山天文臺精確宇宙學(xué)宇宙膨脹、微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等2022/7/2462陸 埮 中科院 紫金山天文臺微波背景輻射譜獲諾貝爾獎之作2022/7/2463陸 埮 中科院 紫金山天文臺 COBE

12、背景輻射4年53GHz全天投影DMR圖上：包括偶極矩中：去除偶極矩下：也包括31和90 GHz的數(shù)據(jù)，去除偶極和模型化的銀河系發(fā)射2022/7/2464陸 埮 中科院 紫金山天文臺CMB功率譜（WMAP）G. Hinshaw et al, ApJS, 148(2019), 135紅線代表最佳宇宙模型D.N. Spergel et al, ApJS, 148(2019), 175功率譜2022/7/2465陸 埮 中科院 紫金山天文臺超新星大尺度結(jié)構(gòu)微波背景輻射的限定范圍2022/7/2466陸 埮 中科院 紫金山天文臺從PLANCK、SNAP等不同來源限定的wQ和m的范圍。在95.4%置信度下

13、，有 Hannestad & Mortsell, astro-ph/0205096-2.68w-0.78看來，宇宙常數(shù)是很好的解：w1。2022/7/2467陸 埮 中科院 紫金山天文臺A. Melchiorri, et al, PRD, 2019, 68, 043509SupernovaeCMB anisotropiesHubble ConstantLarge Scale StructureBBNw2022/7/2468陸 埮 中科院 紫金山天文臺？可見物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量份額B 0.04M 0.23 0.7320世紀(jì)是輝煌的世紀(jì)，一直研究小到10-16厘米。從宏觀到微觀，甚至也包括了天體物

14、理，原則上似乎均已 弄清楚。在世紀(jì)之交卻發(fā)現(xiàn)， 已經(jīng)弄清的原來只是不足4的小部分物質(zhì)！96的物質(zhì)幾乎完全茫然，等待著新的愛因斯坦們！2022/7/2469陸 埮 中科院 紫金山天文臺宇宙均勻膨脹熱背景輻射溫度約為 T3K化學(xué)組成粗略地為： 75% H, 25% He, 以及微量的其余元素通常的物質(zhì)比通常的反物質(zhì)要多得多宇宙微波背景輻射的絕熱起伏是近似標(biāo)度不變的宇宙在空間上是平坦的從1 kpc 到 100 Mpc 標(biāo)度的階梯結(jié)構(gòu)通常物質(zhì)僅是所有物質(zhì)的約1/6物質(zhì)僅是所有能量的約1/4宇宙膨脹現(xiàn)在是加速的現(xiàn)在宇宙的主要特點(diǎn)2022/7/2470陸 埮 中科院 紫金山天文臺 宇宙成分分配 Ostriker & Steinhardt, 2019, Science, 300, 1909暗能量：73%；暗物質(zhì)：23%；發(fā)光物質(zhì)：0.4%（恒星和發(fā)光氣體0.4%；輻射0.005%）；不可見的普通物質(zhì)： 3.7%（星系際氣體3.6%； 中微子0.1%；超重黑洞0.04%）2022/7/2471陸 埮 中科院 紫金山天文臺 Before WMAPWMAPHigh precision 2022/7/2472陸 埮 中科院 紫金山天文臺