中科大宇宙学课件02暗物质问题

第二讲暗物质问题不几年前，WMAP通过对CBR的各向异性度的测量，推断出：总密度：ρ0

=1.0

ρC

真空：ρλ

=0.7

ρC

（最主要）实物：ρm0

=0.3

ρC(其次）一.实测的宇宙组份实物再分两大类：重子物质：ρb0

=0.05

ρC

非重子：ρnb0

=0.25

ρC

记得:ρc

≡

H0=70km/s/Mpc

即:ρc

≈10氢/m33H028πG极重要的成果！给出：信息很多，implication更多引伸出：知识性、专业性疑问也很多什么叫暗物质？ 看不到的物质怎么测？怎么证实大部分实物为非重子的？非重子实物会是什么？什么叫真空能？真空有能量是肯定的结论吗？ 热门话题研究热点二．发光物质的密度从可视角度：宇宙是以星系为分子的气体密度：ρ=NMV改一下：ρ=.

光度密度可测定 星系质光比可测定，且游散不大。于是定出：ρ

≈0.01ρc

MLNLVNLVML它就是宇宙密度吗？若星系发光区外的物质可忽略， 它将就是！实际上不是这样。因此，上述密度叫发光物质密度。此外的物质 都称为暗物质三．暗物质的分布星系的暗晕很“重”星系发光区外没有恒星， 但有稀薄气体——

halo.暗晕中有氢原子，可作示踪原子借助其21cm谱线的红移， 可推定暗晕气体的转动速度。按动力学：r处转速v满足于是：测量知v=v(r)≈const.

推知：M(r)∝r (即ρ(r)反比于r2)mv2rGmM(r)r2=Halo延伸至3–10R光星系质光比计入halo后

ρ=0.03–0.1ρc

=3-10ML()GML()光星系总质量中 发光区内物质的贡献为次要

Darkhalo

为主。尚未计入的是星系际物质星系团的观测研究星系团是许多星系构成的 自引力束缚系统Virial

定理

<u2>= M

是团内的总引力质量GMR若星系际物质可忽略

M=ΣMi实际远不如此（差很多倍）！这只能归因于团内星系际物质的贡献。

——又一层次上的DM测定团的质光比:用 ρ=.定出

ρ团=(0.2±0.1)ρC这样尚未被计入的： 宇宙中高度均匀的物质（如真空）ML()团MLNLV与近年得到的ρTOT=1.0ρc

比：其中70%来自真空 它无法被上述方法测到实物占30%

已大部分被测到了四.非重子暗物质概念由来偶然的契机：一个错误的测量

80年Liubimov

用原子实验测到

mν

≈30eV

宇宙中有中微子背景

nν

≈100个／cm3令人惊讶的推论：

Ων

>>1.中微子是宇宙最主要的组分．人们很快意识到：这是错误的结果．理论家为何锲而不舍

结构形成有一个困惑的问题：

在纯重子宇宙中，今天来不及形成星系．

若中微子为主，困惑会缓解．

这是

结构形成研究者从80年代起一直坚信非重子物质是宇宙主体的重要原因．仅管当时没有证据，弱证据露头：BBN研究 原初核合成是重子过程， 理论与实测比较，能推出重子物质密度．当时为理论不与事实冲突，定出

ρb0

<0.10ρc它与ρ≥0.2±0.1ρc

似难相洽．暴胀理论推波助澜

Inflation预言：

ΩTOT=1.0000.

于是只能

ΩTOT>>

Ωb0.可是Inflation没有观测证据．结构形成研究越走越远

方法：对组分作尝试性假设目标：算出的宇宙结构尽量符合事实到1994年，发现最优选择是：真空为主，实物次之．冷暗物质远多于重子物质． 他们几乎把后来WMAP的结果猜到了．意外？不！一切尽在意料中．非重子实物的组分粒子是什么？只要是稳定的（长寿命的）中性粒子都可视为candidate.mν

<1eV,中微子不重要。已发现的粒子中没有candidate.quark+lepton只是粒子家族一分支.理论上应存在而未发现的 如

neutralinos(超对称理论)

axions(强CP理论)它是宇宙学向物理学提供的 最重要的启示之一。五．真空会有能量吗？什么是能量

E=mc2

使它同时描述三重物理性质： 惯性质量 引力质量 能量（与能量守恒相联系）单从能量守恒讲，能量定义中不变化部分没有意义．即能量零点是任意的．能量与质量为同一物理量， 它没有了零点的任意性．什么是真空：经典：真空＝

没有物质 真空能密度＝

0，无可争议量子：真空＝

量子场的基态 基态无能量可输出 但量子场依然存在量子真空有能量存在是完全可能的．但它是不变化的．若ρvac

≠

0,可能物理效果： 能量守恒：无 惯性：无 引力源：有ρvac

是否为零，纯是引力物理问题 它只能用广义相对论研究真空的能量——

动量张量

TMν(vac)=-ρvacδMν

它与P=-ρ

的理想气体一样

ρvac

被称为真空能密度． 压强：Pvac=-ρvac

（象负压气体）代入宇宙动力学方程，(λ=0)实物或辐射的引力均使宇宙膨胀减速 真空的引力造成的是加速实际上，人们是测到宇宙在加速膨胀 从而推知真空能存在的R=-(ρ+3P)R..4πG3R=ρvacR（斥性的）..8πG3六．宇宙常数疑难记得GR的引力场方程为Gμν=-8πGTμν方程左边添宇宙项-λ

gμν与右边添真空能的贡献8πGρvac

gμν两者的效果是无法区分的若引入

ρeff=ρλ+ρvac=+ρvac

它代表两者的综合效果 而方程形式完全不改变这样， 上述测到的应是

ρeff

8πGλ到底宇宙项要不要，到底真空能有没有， 还可能回答吗？注意：ρλ

是基本物理常数 只能测定，不可能算出ρvac

是派生的参量 原则上可由粒子理论算出原则性的回答途径是存在的： 测出ρeff

算出ρvac

推出ρλ=ρeff

-

ρvac

Ωλ须要

finetuning?把某自由场分解为各种频率的谐振子叠加，其量子基态的能密度将是无穷大．若在Planck能量作截断，基态能密度将有限．但是Ωvac

超过10100.这样就得finetuning才会得出小的Ω

eff．在超对称理论初期，Zumino

曾证明，严格超对称下，boson-fermionpartner的真空能相互抵消．但是现实的超对称肯定是破缺的．因破缺剩余的真空能依然太高．Finetuning问题仍存在．要总真空能密度通过抵消变得很小，似乎难以设想．理论家心中猜想：可能有某种基本原理保证着

真空能是零．

可是至今没有成功的理论．

Puzzle!Whatisvaccum?原来大家以为Ωeff

会是零．当实测发现它不是零，不少人认为它可能既不来自宇宙常数，也不来自真空能．这样，它必须来自一种会产生斥性引力的物质．

Quintessence

或其他都是这种猜想的模型实现．七．Whyquintessence?注意：任何已知类型物质都不会产生repulsivegravitation,所设计的物质注定是怪异的．这样设计不仅容许，且是积极的．要点在于：必须有法分辨它是否符合事实．例如，quintessence有性质

P=-wρ

w≠１这把它与真空区分开