暗物质暗能量探测路线图致密天体与弥漫介质研究团组国家天文台课件

中科院高能所 张新民 亚奥国际酒店 2012年10月15-16日 “星系团和宇宙学”过去和现状综述 (II) -宇宙 和（中国）宇宙学研究的 过去、现在和未来 报告提纲： I） （过去所取得）成就：精确宇宙学 (中国科学家贡献） II）（现在和未来）挑战：(暗物质、暗能量探测路线图） 1）暗能量探测 (reconstructing w(z) ) 2）暗物质探测 （cold 引用：6589次） 2006年3月 公布三年结果 2008年3月 公布五年结果 2010年1月 公布七年结果 （ e-Print: arXiv:1001.4538 astro-ph.CO ，Astrophys.J.Suppl. 192 (2011) 18 ；引用：3038 次） WMAP 部分重要结果： （） （） 注：WMAP结果结合了其他观测（LSS+SN)和分析方法，包括中国人的。 重要成果： . 暗能量扰动新方法；首次整体拟合测定 (w_0, w_a); （张新民 等） 2. 用极化测量旋转角并检验CPT；（张新民 等） 3. CMB 数据分析（李惕碚 等） 精确宇宙学 . 过去十余年宇宙学研究的重大成就 国内外宇宙学家的骄傲 II. 宇宙学研究新挑战： 什么是暗能量？ 什么是暗物质？ 。 重大科学问题：“两暗一黑三起源” 在新世纪，各国都积极规划、部署。 国内：国内： 暗物质暗能量研究受重视；暗物质暗能量研究受重视； 支持力度大大的加强；支持力度大大的加强； 暗物质暗能量探测路线图 暗物质暗能量探测路线图-各种规化各种规化 中强调，中强调， 各类项目资助。各类项目资助。 问题： 面对激烈国际竞争，年后将如何？出（一流）科学成果？ 问题： 面对激烈国际竞争，年后将如何？出（一流）科学成果？ 继续追赶？ 继续追赶？占一席之地？占一席之地？主导，领导地位？主导，领导地位？ 暗能量特征：负压；不结团。 不同理论模型预言不同的 状态方程 w 的演化 2）Quintessence (精质): w -1 1 1） 宇宙学常数：宇宙学常数： w = -1w = -1 = = w w 随红移变化，随红移变化， 但是但是 w -1w -1 3) Phantom (3) Phantom (幽灵幽灵): ): w -1w -1 4) Quintom (4) Quintom (精灵）：精灵）： w crossing -1w crossing -1 实际上，只有这实际上，只有这4 4 种大的分类种大的分类 首要任务： 测定 w(z) 1)1) w(z) w(z) 不能直接观测，不能直接观测， 是个被推导出来的量是个被推导出来的量 ( (标准宇宙学理论模型）标准宇宙学理论模型） 2 2）天文观测量：）天文观测量： SNSN： 光度距离光度距离 LSSLSS：功率谱：功率谱 CMBCMB： 温度角功率谱，温度角功率谱， 极化极化 。GRB, WL GRB, WL 3 3）w(z) w(z) 参数化参数化 （目的：（目的： 可行性；可行性； 减少参数。）减少参数。） i i） w=w_0+w_1 z (for small z) w=w_0+w_1 z (for small z) ii ii）w(z) = w_0 + (1-a) w_a w(z) = w_0 + (1-a) w_a = = w_0 + w_a z/(1+z) = w_0 + w_a z/(1+z) 4)4) 数值计算，整体拟合分析数值计算，整体拟合分析 Current status in determining the EoS of dark energy G. Zhao and X. Zhang G. Zhao and X. Zhang Phys.Rev.D81:043518,2010 Phys.Rev.D81:043518,2010 Results: Results: 1) Current data has constrained 1) Current data has constrained a lot of the theoretical models; a lot of the theoretical models; 2) Cosmological constant is 2) Cosmological constant is consistent with the data; consistent with the data; 3 3）dynamical models are not dynamical models are not ruled out; quintom scenario ruled out; quintom scenario mildly favored mildly favored； WMAP7 WMAP7 E. KomatsuE. Komatsu et al. et al. e-Print: e-Print: arXiv:1001.4538arXiv:1001.4538 SNLS3SNLS3， e-Print: arXiv:1104.1444e-Print: arXiv:1104.1444 G. ZhaoG. Zhao, , H. LiH. Li, , E. LinderE. Linder, , K. KoyamaK. Koyama, , D. BaconD. Bacon, , XZhangXZhang arXiV: 1109.1846 arXiV: 1109.1846 Sep 2011Sep 2011 with WMAP7+Union2.1+BAO+with WMAP7+Union2.1+BAO+ 暗能量探测研究展望 国内：国内： I I）20042004年年9 9月月9 9日日: : “ “暗能量研究和探测可行性暗能量研究和探测可行性” ”专题研讨会专题研讨会 高能所，理论所、国家天文台、上海天文台、紫金山天文台联合主办高能所，理论所、国家天文台、上海天文台、紫金山天文台联合主办 LAMOST LAMOST 暗能量研究：张新民，赵永恒，褚耀泉，范祖辉，陈学雷。暗能量研究：张新民，赵永恒，褚耀泉，范祖辉，陈学雷。 II II) 2008) 2008年年1111月月2626日日： 暗物质暗能量探测路线图暗物质暗能量探测路线图 “ “上天，上天， 入地入地 到到 南极南极” ” 院创新三期方向性重点项目（高能所，院创新三期方向性重点项目（高能所， 国台，国台， 紫台，紫台， 上海台，上海台， 理论所。）理论所。）+ + 院外合作院外合作+ +国内外合作国内外合作 + +理论实验天文观测合作理论实验天文观测合作 IIIIII）近年大量工作）近年大量工作 ( (天籁计划、空间站）。天籁计划、空间站）。 国外： Large Synoptic Survey Telescope Wide Field Infrared Survey Telescope 南极光学近红红 外巡天望远镜远镜 Euclid BigBOSS 天籁计籁计划 空间间站大光 学平台 202011 LAMOST 探测 暗能量 ？ FAST 探测 暗能量？ 暗能量研究时间表 LSST、Euclid能解决暗能量问题吗？ 什么算解决了？ * 整个问题解决需要很长时间，但阶段性成果也很重要 （注意：1998年前，宇宙学常数问题已多年） 类似：旧量子论-量子力学-量子场论 - 漫长但每一步都很重要，可能突破！ 要充分肯定！ 2011年诺奖：暗能量领域的第一个诺奖！ 第二个（？） 近十年目标：发现动力学或确定宇宙学常数= 即 Einstein 还是 非 Einstein ?! （当然确定哪一个动力学模型需更长时间） 目前: (w_0, w_a) O(10%) =重要成果 不久将来： O(1%)=重大成果 中国空间站暗能量研究预期- 赵公博等 To appear in Phys. Rev. Lett. 发现动力学暗能量证据 2.5 sigma 带来了希望：5-10年内更高置信度上发现动力学暗能量 (注：CMB 温度涨落 COBE 发现，WMAP 证实 - 不同的意义） SN + CMB（Planck）+ LSS（BOSS，eBOSS, DES) 关注并更加重视：i) 充分挖掘LAMOST、FAST潜力； ii）中小型、近期出成果的项目； iii）加强国际合作，早出科学成果。 = Li，Zhao et al. 国内暗能量相关工作 （近期综述：张新民、陈学雷： 暗物质、暗能量研究进展 及中国的机遇 中科院院刊2011 . 26（5）) 1) 利用各种天文观测、整体拟合、研究暗能量： （高能所：李虹、张新民等；北大：范祖辉等；清华：陶嘉琳； 国台：陈学雷等；北师大：朱宗宏、张同杰。） 2）GRB 宇宙学： （南大：戴子高；陆埮等；北大：范祖辉；高能所：张双南，李虹等； 北师大：朱宗宏等。） 3）修改引力： （上海台：张鹏杰；国台：赵公博 等 。） 4）系统误差、分析方法带来的误差分析： （国台：詹虎；北大：范祖辉 ；清华：陶嘉琳 ； 高能所：李虹、张新民等） 暗物质和 WIMPs (重质量弱相互作用粒子） (近期综述：C. Frenk and S. White: “Dark matter and cosmic structure”; e-print: arXiv: 1210.0544) I）暗物质证据：= （冷的, 还是温的？） II）暗物质粒子： WIMPs (weakly interacting massice particles, such as Neutralino ) (重质量弱相互作用粒子） WIMPs 暗物质粒子寻找： 10年将发现，否则将放弃 I）冷暗物质的模型：理论上大 量数值模拟；在星系及更大的 尺度上大量观测数据的支持； 热产生WIMPs = 冷暗物质 II）近期危机：亚星系（subgalactic）尺度上，温暗物质 模型可能能够更好解释观测数据 （景益鹏，高亮，陶嘉琳等） 非热产生WIMPs = 温暗物质 （张新民等） Cold ii) 检验 CPT 对称性。 目前旋转角测量状况 - 3 sigma detection CMB 观测： DOME-A； 与QUBIC （the QU bolometric interferometer for cosmology) 合作？ 夏俊卿等 中微子宇宙学 1）探测 relic neutrino， 像CMB 一样，非常重要； 2）中微子实验近年取得大的进展： 中微子振荡= 中微子有质量； 大亚湾中微子实验（ 15年就取得了重大成果！） 大亚湾中微子实验二期; 3）有质量中微子是自然的暗物质粒子，但是 Hot Dark Matter = 宇宙学限制； 目前，“总质量” 小于 0.3 - 0.8 eV Detection with Euclid 4) Leptogenesis =反物质丢失之谜； 5）中微子暗能量理论 （张新民等，Ann Nelson 等）； 6) Sterile neutrino as warm dark matter. 宇宙学理论研究 1) Inflation 模型： Gruber 奖：2004年 Alan Guth、Andrei Linde 但是：inflation dynamics? Model? 2) 暗能量理论：Quintom （近期综述：蔡一夫等 Phys. Repts.) Holographic DE, Agegraphic, Ricci DE; 3)暗物质理论：间接探测方面的理论（Boost factor) 取得重要成果； (高能所：毕效军、张新民等；理论所：周宇峰、吴岳良等） 国台：秦波；北大：朱守华 。 4) 大爆炸宇宙模型奇点问题：Quintom bounce & cyclic universe Quintessence - Inflation Quint