暗物质与暗能量课件

1、暗物质与暗能量Date2陆 埮 中科院 紫金山天文台人的尺度在粒子与宇宙中间Date3陆 埮 中科院 紫金山天文台大尺度观测事实 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

2、宇宙年龄： tgc =(1.50.4) 1010年 1/H0= (1.38 0.14) 1010年Date4陆 埮 中科院 紫金山天文台怎样测量物质?暗物质Date5陆 埮 中科院 紫金山天文台 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/cm3Date6陆 埮 中科院 紫金山天文台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Date7陆 埮 中科院 紫金山天文台VR-1/2(Kepler)VconstDate8陆 埮 中科院 紫金山天

3、文台星系旋转曲线曲线平坦部分远高于Kepler情形Date9陆 埮 中科院 紫金山天文台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Date10陆 埮 中科院 紫金山天文台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：Neu

4、tralino、Axion等。Date11陆 埮 中科院 紫金山天文台 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。 Date12陆 埮 中科院 紫金山天文台怎样测量宇宙年龄?宇宙年龄Date13陆 埮 中科院 紫金山天文台 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Date14陆 埮 中科院 紫金山天文台

5、 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。Date15陆 埮 中科院 紫金山天文台哈勃年龄 ：1/H0真实年龄小于哈勃年龄Date16陆 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， 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，

6、 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Date17陆 埮 中科院 紫金山天文台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Date18陆 埮 中科院

7、 紫金山天文台数学框架宇宙动力学Date19陆 埮 中科院 紫金山天文台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. FeynmanDate20陆 埮 中科院 紫金山天文台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。”Date21陆 埮 中科院 紫金山天文台 宇宙动力学方程Einstein方程：ttss消去 ，得宇宙动力学方程 临界密度（k0）： g/cm3Date22陆 埮 中科院 紫金山天文台

8、 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Date23陆 埮 中科院 紫金山天文台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。Date24陆 埮 中科院 紫金山天文台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Date25陆 埮 中科院 紫金山天文台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。D

9、ate26陆 埮 中科院 紫金山天文台哈勃图据Ia型超新星测距from JA Peacocks book（1999）进一步提供测距方法Date27陆 埮 中科院 紫金山天文台哈勃关系Hubble关系： Z=(-e)/e=(H0/c)D H0=100 h0 km/(s.Mpc) h0=0.4 12002年： h0=(0.710.07)0.951.15宇宙在膨胀！Date28陆 埮 中科院 紫金山天文台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Date29陆 埮 中科院 紫金山天文台

10、 两个可观测参数Hubble常数减速因子 HDate30陆 埮 中科院 紫金山天文台宇宙膨胀曲线k=+1 封闭，有限 k=0 平直，无限 k=1 开放，无限Date31陆 埮 中科院 紫金山天文台核素丰度演化Date32陆 埮 中科院 紫金山天文台核素丰度的确定Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2.610-10 nB/s 1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。Date60陆 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。Date61陆 埮 中科院 紫金山天文台精确宇宙学宇宙膨胀、微波背景

11、辐射、宇宙大尺度结构等Date62陆 埮 中科院 紫金山天文台微波背景辐射谱获诺贝尔奖之作Date63陆 埮 中科院 紫金山天文台 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Date64陆 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. Spergel et al, ApJS, 148(2003), 175功率谱Date65陆 埮 中科院 紫金山天文台超新星大尺度结构微波背景辐射的限定范围Dat

12、e66陆 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看来，宇宙常数是很好的解：w1。Date67陆 埮 中科院 紫金山天文台A. Melchiorri, et al, PRD, 2003, 68, 043509SupernovaeCMB anisotropiesHubble ConstantLarge Scale StructureBBNwDate68陆 埮 中科院 紫金山天文台？可见物质、暗物质、暗能量份额B 0.04M 0.23

13、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！Date69陆 埮 中科院 紫金山天文台宇宙均匀膨胀热背景辐射温度约为 T3K化学组成粗略地为： 75% H, 25% He, 以及微量的其余元素通常的物质比通常的反物质要多得多宇宙微波背景辐射的绝热起伏是近似标度不变的宇宙在空间上是平坦的从1 kpc 到 100 Mpc 标度的阶梯结构通常物质仅是所有物质的约1/6物质仅是所有能量的约1/4宇宙膨胀现在是加速的现在宇宙的主要特点Date70陆 埮 中科院 紫金山天文台 宇宙成分分配 Ostriker & Steinhardt, 2003, Science, 300, 1909暗能量：73%；暗物质：23%；发光物质：0.4%（恒星和发光气体0.4%；辐射0.005%）；不可见的普通物质： 3.7%（星系际气体3.6%； 中微子0.1%；超重黑洞0.04%）Date71陆 埮 中科院 紫金山天文台 Before WMAPWMAPH