宇宙学研究的过去 致密天体与弥漫介质研究团组课件

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 & warm WIMPs) 3）微波背景辐射（CMB）极化 （B-mode) 4）中微子宇宙学 5) 宇宙学理论研究,(国际）宇宙学研究概况：,自上个世纪末，宇宙学研究取得了一系列重大的进展：精确宇宙学 1992年：COBE卫星 宇宙微波背景辐射观测 (2006年诺奖） 温度涨落 Inflation 开启“精确宇宙学”时代的大门 1998年： 超新星（SN ）观测 宇宙加速膨胀 暗能量 （2011年诺奖） 2000年 ：BoomeranG 、Maxima 宇宙微波背景辐射观测 平坦宇宙 2003年：WMAP 卫星 宇宙微波背景辐射观测 （+ SDSS，SN。） （2010年邵逸夫奖， Gruber 奖， Nobel Prize?） =精确宇宙学：本世纪前十年十大科学成就 （Insights of the Decade） 十年的“精确宇宙学”研究成就了 2011 度和 2006年度 的诺贝尔物理学奖！,精确宇宙学和中国科学家的贡献 本世纪首个十年即将结束之际，科学杂志的新闻记者和编辑潜心 审视了进入新千年以来的那些改变科学面貌的进步，评选出了十项科学成作为 “本十年卓见” （Insights of the Decade）。 精确宇宙学：在过去十年中，研究人员非常精确地推测出 宇宙物质的成分是普通物质、暗物质和暗能量。同时， 他们阐述了将这些成分组成宇宙的方法。这些进展将宇宙学转变成为 一种有着标准理论的精确科学，而留给其他理论的活动空间已十分狭小。 二方面成就：1）宇宙学观测 ：（见杨小虎报告, 已充分肯定） 2）宇宙学理论 ： Einstein 引力 + 宇宙学原理 + （线性）扰动理论 （ Nobel Prize？） =（程序化）CMBFAST， CAMB， CosmoMC Gruber 奖：2008年 Bond； 2000年 Peebles； 。 中国人的贡献：不可忽视 ！ 详见： “21世纪第二个十年的宇宙学” 研讨会报告 北京温都水城国际酒店 2011年3月18-19日,（精确宇宙学和）中国宇宙学研究回顾（简介）,I）科技部“973” 项目： 21世纪天体物理重大问题：星系形成和演化； 首席科学家：陈建生 “宇宙学模型” 课题组，组长：武向平、张新民 成果举例： Quintom 理论 （ 2004年，张新民等；引用 630次；Phys Repts 专题综述 ） 。 II） 基金委重点项目： 宇宙暗能量研究：首席：朱宗宏；成员：范祖辉、陈学雷、张新民 成果举例：完成100多篇论文；LAMOST, DOME-A 暗能量探测可行性研究 。 III）院“创新工程”项目： 一期：粒子宇宙学 二期：高能天体物理：星系团、黑洞物理和早期宇宙； 首席：武向平、张双南、张新民 三期：依托国内大科学装置的粒子物理、核物理和宇宙学的前沿理论研究 首席：邹冰松、张新民 宇宙学方面：暗能量研究课题组长：陈学雷 暗物质研究课题组长：毕效军 理论研究课题组长：蔡荣根 成果举例：提出“暗物质暗能量探测路线图：上天入地到南极 （锦屏暗物质地下实验； 空间小卫星暗物质探测；南极暗能量探测）” 方向性项目：暗物质、暗能量理论及实验探测可行性研究； 首席：吴岳良、张新民,5,精确宇宙学 和 WMAP (2010年邵逸夫奖， 2012年Gruber 奖， Nobel Prize?) （近期综述：李虹、李明哲、范祖辉、张新民， “WMAP 和精确宇宙学”） WMAP：2001年6月 升空 2003年2月 公布第一年结果 （当年世界十大科技进展之首） (e-Print: astro-ph/0302209 astro-ph , Astrophys.J.Suppl. 148 (2003) 175-194 ; 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： 暗物质暗能量研究受重视； 支持力度大大的加强； 暗物质暗能量探测路线图-各种规化 中强调， 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？ 继续追赶？占一席之地？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） 宇宙学常数： w = -1,= w 随红移变化， 但是 w -1 3) Phantom (幽灵): w -1 4) Quintom (精灵）： w crossing -1 实际上，只有这4 种大的分类,首要任务： 测定 w(z),w(z) 不能直接观测， 是个被推导出来的量 (标准宇宙学理论模型） 2）天文观测量： SN： 光度距离 LSS：功率谱 CMB： 温度角功率谱， 极化 。GRB, WL 3）w(z) 参数化 （目的： 可行性； 减少参数。） i） w=w_0+w_1 z (for small z) ii）w(z) = w_0 + (1-a) w_a = = w_0 + w_a z/(1+z) 数值计算，整体拟合分析,Current status in determining the EoS of dark energy,G. Zhao and X. Zhang Phys.Rev.D81:043518,2010,Results: 1) Current data has constrained a lot of the theoretical models; 2) Cosmological constant is consistent with the data; 3）dynamical models are not ruled out; quintom scenario mildly favored；,WMAP7 E. Komatsu et al. e-Print: arXiv:1001.4538,SNLS3， e-Print: arXiv:1104.1444,G. Zhao, H. Li, E. Linder, K. Koyama, D. Bacon, XZhang arXiV: 1109.1846 Sep 2011 with WMAP7+Union2.1+BAO+,暗能量探测研究展望,国内： I）2004年9月9日: “暗能量研究和探测可行性”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 LAMOST 暗能量研究：张新民，赵永恒，褚耀泉，范祖辉，陈学雷。,II) 2008年11月26日： 暗物质暗能量探测路线图 “上天， 入地 到 南极” 院创新三期方向性重点项目（高能所， 国台， 紫台， 上海台， 理论所。）+ 院外合作+国内外合作 +理论实验天文观测合作 III）近年大量工作 (天籁计划、空间站）。,国外：,暗能量探测计划,Large Synoptic Survey Telescope,Wide Field Infrared Survey Telescope,南极光学近红外巡天望远镜,Euclid,BigBOSS,天籁计划,空间站大光学平台,2020,11,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 & Warm WIMPs,(cold & warm) WIMPs 暗物质粒子探测方法,对撞机: LHC 直接探测 DAMA, CDMS 。 （锦屏暗物质地下实验） 间接探测 空间：Pamela, ATIC, FERMI, AMS, (紫台小卫星；我国空间站) 地面：H.E.S.S, （我国：羊八井。）,1）cold or warm WIMPs = 暗物质间接探测信号不同,“天文+粒子”紧密结合对解开暗物质之谜 至关重要,袁强等,2）暗物质空间分布（天文）对 WIMPs（粒子）探测 至关重要 假设：如果 “地球附近”没有暗物质， 探测将。？ =LAMOST （and FAST) 暗物质研究计划,19,CMB极化 （Detection of B mode) 1964年：发现宇宙微波背景辐射（1978年诺贝尔物理学奖） 1992年： COBE 卫星 （2006年诺贝尔物理学奖） 开启“精确宇宙学”时代大门 2001年：WMAP 卫星 精确宇宙学 CMB 极化测量：DASI， WMAP， QUaD， BICEP 。= E mode B Mode Detection 意义重大: i) 探测 张量扰动； 直接检验Inflation, Bounce Cosmology; 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) Ste