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1、暗物质与暗能量,暗物质与暗能量 是在宇宙学研究中发现的。,人的尺度在粒子与宇宙中间,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 宇宙年龄：tgc=(1.50.4)1010年 1/H
2、0=(1.38 0.14)1010年,怎样测量物质?,暗物质,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/cm3,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,VR-1/2(Kepler),Vconst,星系旋转曲线,曲线平坦部分远高于Kepler情形,7 spiral galaxies.The flatness indicates the presence of huge dark halos.(V.J.Martinez,astro-p
3、h/0203377).,巨大的暗晕：存在暗物质,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：Neutralino、Axion等。,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。,怎样测量宇宙年龄?,宇宙年龄,宇宙年龄的下限,宇宙年龄大于任何天体的年龄
4、：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,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。,哈勃年龄：1/H0,真实年龄小于哈勃年龄,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。
5、,1970s年，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,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,数学框架,宇宙动力学,Feynman 名言,“物理学家具有这
6、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.Feynman,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。”,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/cm3,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,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
7、宇宙。,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,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。,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,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！,Friedmann宇宙,动态这是现代宇宙学的基础模
8、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,两个可观测参数,Hubble常数,减速因子,H,宇宙膨胀曲线,k=+1 封闭，有限 k=0 平直，无限 k=1 开放，无限,核素丰度演化,核素丰度的确定Burles,S.et al,astro-ph/9903300 2.610-10 nB/s 6.2 10-10相当于 B=(1.8 4.3)10-31(g/cm3)核素丰度可以确定重子物质密度（可见物质密度）,引力之外还有斥力？,宇宙在加速膨胀？,超新星,超新星分类：II型有氢线（大质量恒星的塌缩）Ia型没有氢线（白矮星吸积到Ch
9、andrasekhar极限质量）Ib型没有氢线、富氦（大质量恒星的塌缩）Ic型没有氢线、贫氦（大质量恒星的塌缩）,Ia型超新星,当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。,Luminosity distance of a standard candle DL(z)=Lp/(4F)1/2,超新星宇宙学,A tight relation:Lp m15(Phillips 1993)Multi-color light curve shape(Riess et al.1995)The stretch method(Perlmutter et al.1999)Th
10、e Bayesian adapted template match(BATM)method(Tonry et al.2003),18个Ia型SN的平均峰值绝对星等：MB=-19.330.25（Y.Wang,2000,ApJ.536.531）,重要发现：加速膨胀！,超新星宇宙学哈勃图Knop et al,astro-ph/0309368,两个重要的根本性发现,宇宙年龄问题：球状星团年龄可能超过哈勃年龄。宇宙膨胀问题：现在宇宙处在加速膨胀阶段而不是减速膨胀阶段。,这是两个根本性的大问题！,伽玛暴的可能贡献,可达到的红移远高于超新星不必考虑尘埃消光不必考虑光度演化不易定义稳定的物理量误差比较大,K.
11、Takahashi,et al,astro-ph/0305260Z.G.Dai,et al,ApJL,2004G.Ghirlanda,et al,ApJL,2004Friedman,et al,astro-ph/0408413,jet,Ep,E,jet,伽玛暴作为标准烛光的可能性,E,jet-Ep(1+z)关系 Ghirlanda et al.(2004a);Dai,Liang&Xu(2004),伽玛暴与超新星基本一致,伽玛暴,超新星,Dai,Liang,Xu,ApJ,2004,GRB 定宇宙参数 Dai，Liang，Xu，ApJL，2004,还只是初步工作，尚待大幅改进,暗能量提供斥力解释宇
12、宙加速膨胀,暗能量,宇宙常数,Einstein方程：存在相当于作如下变换：提供了正密度(c2/8G)，负压强(c4/8G)。,正密度,负压强,宇宙常数的三起三落,Advocated by Einstein to construct a static universe,but discarded after the discovery of the expansion;Revived by Hoyle,Bondi,Put forth to explain the abundance of quasars at z2,but now known to be due to the evolution
13、 of quasars themselves.,暗 能 量,Einstein方程显然，物质（）产生引力，导致减速；而产生斥力，导致加速。上面 c2/4G 项实际包括两项，即 3P/c2。,P=c4/8G,=c2/8G,能量密度,对于平坦宇宙：k0，m1,能量、宇宙常数,=c2/8G,真空能量密度,为使宇宙加速膨胀：,设 为状态方程的一般形式，则对于非相对论情形(普通物质)，有：w0；对于极端相对论(辐射)，有：w1/3；对于宇宙常数，有：w P/c2 1。,一般地来考虑（不计），为了满足加速膨胀，必需要求w1/3，这不可能是正常物质。,物态方程,暗能量,真空能量（宇宙常数）动力学场（Quint
14、essence）,状态方程：,暗能量解释宇宙年龄问题,宇宙年龄,地球年龄-几十亿年球状星团年龄-一百几十亿年哈勃年龄-一百几十亿年,接近甚至倒置,（1218 Gyr）,真实年龄更低,减速因子,L.M.Krauss,Scientific American,1999,减速,加速,真实年龄大于哈勃年龄（这一情形在宇宙常数不为0时可能出现）,哈勃年龄（1/H0）,减速,加速,等速,观测到过去的减速，今天的加速。,Riess,A.G.et al.,astro-ph/0402512To be published in ApJ,June,2004,16个z1的Ia型超新星,左边为发现时刻的超新星，中间为发现
15、前的情形，后面为两者相减的结果。,下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。,精确宇宙学,宇宙膨胀、微波背景辐射、宇宙大尺度结构等,微波背景辐射谱,获诺贝尔奖之作,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,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,超新星大尺度结构微波背景辐射的限定范围,从PLANCK、SNAP等不同来源限定的wQ和m的
16、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。,A.Melchiorri,et al,PRD,2003,68,043509,SupernovaeCMB anisotropiesHubble ConstantLarge Scale StructureBBN,w,？,？,？,？,？,可见物质、暗物质、暗能量份额,B 0.04M 0.23 0.73,20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
17、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！,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,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%）,Before WMAP,WMAP,High precision,暗能量与以太,世纪之隔的两个“怪物”何其相似乃尔！,要新的Einstein吗？,一个世纪以前的两朵乌云：“以太”与“黑体谱”导致了世纪性的成果相对论与量子力学。现在的两朵乌云（三朵、四朵）：“暗能量”与“暗物质”会导致什么？暗能量也许正在呼唤新的Einstein！两者的比较耐人寻味！,谢谢！Thank You!,
