暗物質(zhì)和暗能量課件

1、中科院高能所 張新民亞奧國際酒店 2012年10月15-16日 “星系團(tuán)和宇宙學(xué)”過去和現(xiàn)狀綜述 (II) -宇宙 和（中國）宇宙學(xué)研究的 過去、現(xiàn)在和未來報(bào)告提綱： I） （過去所取得）成就：精確宇宙學(xué) (中國科學(xué)家貢獻(xiàn)） II）（現(xiàn)在和未來）挑戰(zhàn)：(暗物質(zhì)、暗能量探測路線圖） 1）暗能量探測 (reconstructing w(z) ) 2）暗物質(zhì)探測 （cold & warm WIMPs) 3）微波背景輻射（CMB）極化 （B-mode) 4）中微子宇宙學(xué) 5) 宇宙學(xué)理論研究(國際）宇宙學(xué)研究概況： 自上個(gè)世紀(jì)末，宇宙學(xué)研究取得了一系列重大的進(jìn)展：精確宇宙學(xué)1992年：COBE衛(wèi)星 宇

2、宙微波背景輻射觀測 (2006年諾獎(jiǎng)） 溫度漲落 Inflation 開啟“精確宇宙學(xué)”時(shí)代的大門1998年： 超新星（SN ）觀測 宇宙加速膨脹 暗能量 （2011年諾獎(jiǎng)） 2000年 ：BoomeranG 、Maxima 宇宙微波背景輻射觀測 平坦宇宙2003年：WMAP 衛(wèi)星 宇宙微波背景輻射觀測 （+ SDSS，SN。） （2010年邵逸夫獎(jiǎng)， Gruber 獎(jiǎng)， Nobel Prize?）=精確宇宙學(xué)：本世紀(jì)前十年十大科學(xué)成就 （Insights of the Decade） 十年的“精確宇宙學(xué)”研究成就了 2011 度和 2006年度 的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！ 精確宇宙學(xué)和中國科學(xué)家的貢

3、獻(xiàn) 本世紀(jì)首個(gè)十年即將結(jié)束之際，科學(xué)雜志的新聞?dòng)浾吆途庉嫕撔膶徱暳诉M(jìn)入新千年以來的那些改變科學(xué)面貌的進(jìn)步，評選出了十項(xiàng)科學(xué)成作為“本十年卓見” （Insights of the Decade）。精確宇宙學(xué)：在過去十年中，研究人員非常精確地推測出 宇宙物質(zhì)的成分是普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量。同時(shí)， 他們闡述了將這些成分組成宇宙的方法。這些進(jìn)展將宇宙學(xué)轉(zhuǎn)變成為 一種有著標(biāo)準(zhǔn)理論的精確科學(xué)，而留給其他理論的活動(dòng)空間已十分狹小。二方面成就：1）宇宙學(xué)觀測 ：（見楊小虎報(bào)告, 已充分肯定） 2）宇宙學(xué)理論 ： Einstein 引力 + 宇宙學(xué)原理 + （線性）擾動(dòng)理論 （ Nobel Prize？） =

4、（程序化）CMBFAST， CAMB， CosmoMC Gruber 獎(jiǎng)：2008年 Bond； 2000年 Peebles； 。 中國人的貢獻(xiàn)：不可忽視 ！ 詳見： “21世紀(jì)第二個(gè)十年的宇宙學(xué)” 研討會報(bào)告 北京溫都水城國際酒店 2011年3月18-19日 （精確宇宙學(xué)和）中國宇宙學(xué)研究回顧（簡介） I）科技部“973” 項(xiàng)目： 21世紀(jì)天體物理重大問題：星系形成和演化； 首席科學(xué)家：陳建生 “宇宙學(xué)模型” 課題組，組長：武向平、張新民 成果舉例： Quintom 理論 （ 2004年，張新民等；引用630次；Phys Repts 專題綜述 ） 。II） 基金委重點(diǎn)項(xiàng)目： 宇宙暗能量研究：

5、首席：朱宗宏；成員：范祖輝、陳學(xué)雷、張新民 成果舉例：完成100多篇論文；LAMOST, DOME-A 暗能量探測可行性研究 。III）院“創(chuàng)新工程”項(xiàng)目： 一期：粒子宇宙學(xué) 二期：高能天體物理：星系團(tuán)、黑洞物理和早期宇宙； 首席：武向平、張雙南、張新民 三期：依托國內(nèi)大科學(xué)裝置的粒子物理、核物理和宇宙學(xué)的前沿理論研究 首席：鄒冰松、張新民 宇宙學(xué)方面：暗能量研究課題組長：陳學(xué)雷 暗物質(zhì)研究課題組長：畢效軍 理論研究課題組長：蔡榮根 成果舉例：提出“暗物質(zhì)暗能量探測路線圖：上天入地到南極（錦屏暗物質(zhì)地下實(shí)驗(yàn)；空間小衛(wèi)星暗物質(zhì)探測；南極暗能量探測）” 方向性項(xiàng)目：暗物質(zhì)、暗能量理論及實(shí)驗(yàn)探測可行

6、性研究；首席：吳岳良、張新民 5精確宇宙學(xué) 和 WMAP (2010年邵逸夫獎(jiǎng)， 2012年Gruber 獎(jiǎng)， Nobel Prize?) （近期綜述：李虹、李明哲、范祖輝、張新民， “WMAP 和精確宇宙學(xué)”）WMAP：2001年6月 升空 2003年2月 公布第一年結(jié)果 （當(dāng)年世界十大科技進(jìn)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 公布三年結(jié)果 2008年3月 公布五年結(jié)果 2010年1月 公布七年結(jié)果 （ e-Print: arX

7、iv:1001.4538 astro-ph.CO ，Astrophys.J.Suppl. 192 (2011) 18 ；引用：3038 次） WMAP 部分重要結(jié)果： （）（）注：WMAP結(jié)果結(jié)合了其他觀測（LSS+SN)和分析方法，包括中國人的。重要成果：. 暗能量擾動(dòng)新方法；首次整體擬合測定 (w_0, w_a);（張新民等） 2. 用極化測量旋轉(zhuǎn)角并檢驗(yàn)CPT；（張新民等） 3.CMB 數(shù)據(jù)分析（李惕碚等）精確宇宙學(xué). 過去十余年宇宙學(xué)研究的重大成就國內(nèi)外宇宙學(xué)家的驕傲 II. 宇宙學(xué)研究新挑戰(zhàn)：什么是暗能量？什么是暗物質(zhì)？。重大科學(xué)問題：“兩暗一黑三起源”在新世紀(jì)，各國都積極規(guī)劃、部署

8、。國內(nèi)： 暗物質(zhì)暗能量研究受重視； 支持力度大大的加強(qiáng)；暗物質(zhì)暗能量探測路線圖-各種規(guī)化 中強(qiáng)調(diào)， 各類項(xiàng)目資助。問題：面對激烈國際競爭，年后將如何？出（一流）科學(xué)成果？繼續(xù)追趕？占一席之地？主導(dǎo)，領(lǐng)導(dǎo)地位？ 暗能量特征：負(fù)壓；不結(jié)團(tuán)。 不同理論模型預(yù)言不同的 狀態(tài)方程 w 的演化 2）Quintessence (精質(zhì)): w -11） 宇宙學(xué)常數(shù)： w = -1 = w 隨紅移變化， 但是 w -13) Phantom (幽靈): w -14) Quintom (精靈）： w crossing -1 實(shí)際上，只有這4 種大的分類首要任務(wù)： 測定 w(z) w(z) 不能直接觀測， 是個(gè)被推導(dǎo)

9、出來的量 (標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)理論模型） 2）天文觀測量： SN： 光度距離 LSS：功率譜 CMB： 溫度角功率譜， 極化 。GRB, WL 3）w(z) 參數(shù)化 （目的： 可行性； 減少參數(shù)。） 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)數(shù)值計(jì)算，整體擬合分析 Current status in determining the EoS of dark energy G. Zhao and X. Zhang Phys.Rev.D81:043518,2010 Results: 1) Curre

10、nt 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:1104.1444G. Zhao, H. Li, E. Linder, K. Koyama, D

11、. Bacon, XZhang arXiV: 1109.1846 Sep 2011 with WMAP7+Union2.1+BAO+ 暗能量探測研究展望國內(nèi)： I）2004年9月9日: “暗能量研究和探測可行性”專題研討會 高能所，理論所、國家天文臺、上海天文臺、紫金山天文臺聯(lián)合主辦 LAMOST 暗能量研究：張新民，趙永恒，褚耀泉，范祖輝，陳學(xué)雷。 II) 2008年11月26日： 暗物質(zhì)暗能量探測路線圖 “上天， 入地 到 南極” 院創(chuàng)新三期方向性重點(diǎn)項(xiàng)目（高能所， 國臺， 紫臺， 上海臺， 理論所。）+ 院外合作+國內(nèi)外合作 +理論實(shí)驗(yàn)天文觀測合作 III）近年大量工作 (天籟計(jì)劃、空間

12、站）。國外： 暗能量探測計(jì)劃Large Synoptic Survey TelescopeWide Field Infrared Survey Telescope南極光學(xué)近紅外巡天望遠(yuǎn)鏡EuclidBigBOSS天籟計(jì)劃空間站大光學(xué)平臺202011LAMOST 探測 暗能量 ？FAST 探測暗能量？暗能量研究時(shí)間表LSST、Euclid能解決暗能量問題嗎？ 什么算解決了？ * 整個(gè)問題解決需要很長時(shí)間，但階段性成果也很重要 （注意：1998年前，宇宙學(xué)常數(shù)問題已多年）類似：舊量子論-量子力學(xué)-量子場論 - 漫長但每一步都很重要，可能突破！ 要充分肯定！ 2011年諾獎(jiǎng)：暗能量領(lǐng)域的第一個(gè)諾獎(jiǎng)！

13、 第二個(gè)（？） 近十年目標(biāo)：發(fā)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)或確定宇宙學(xué)常數(shù)= 即 Einstein 還是 非 Einstein ?! （當(dāng)然確定哪一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型需更長時(shí)間） 目前: (w_0, w_a) O(10%) =重要成果 不久將來： O(1%)=重大成果 中國空間站暗能量研究預(yù)期-趙公博等 To appear inPhys. Rev. Lett.發(fā)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)暗能量證據(jù) 2.5 sigma 帶來了希望：5-10年內(nèi)更高置信度上發(fā)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)暗能量 (注：CMB 溫度漲落 COBE 發(fā)現(xiàn)，WMAP 證實(shí) - 不同的意義） SN + CMB（Planck）+ LSS（BOSS，eBOSS, DES)關(guān)注并更加重視：i

14、) 充分挖掘LAMOST、FAST潛力； ii）中小型、近期出成果的項(xiàng)目； iii）加強(qiáng)國際合作，早出科學(xué)成果。 =Li，Zhao et al. 國內(nèi)暗能量相關(guān)工作 （近期綜述：張新民、陳學(xué)雷： 暗物質(zhì)、暗能量研究進(jìn)展 及中國的機(jī)遇 中科院院刊2011 . 26（5）)1) 利用各種天文觀測、整體擬合、研究暗能量： （高能所：李虹、張新民等；北大：范祖輝等；清華：陶嘉琳； 國臺：陳學(xué)雷等；北師大：朱宗宏、張同杰。）2）GRB 宇宙學(xué)： （南大：戴子高；陸埮等；北大：范祖輝；高能所：張雙南，李虹等； 北師大：朱宗宏等。）3）修改引力： （上海臺：張鵬杰；國臺：趙公博 等 。）4）系統(tǒng)誤差、分析方

15、法帶來的誤差分析： （國臺：詹虎；北大：范祖輝 ；清華：陶嘉琳 ； 高能所：李虹、張新民等）暗物質(zhì)和 WIMPs (重質(zhì)量弱相互作用粒子） (近期綜述：C. Frenk and S. White: “Dark matter and cosmic structure”; e-print: arXiv: 1210.0544)I）暗物質(zhì)證據(jù)：= （冷的, 還是溫的？）II）暗物質(zhì)粒子： WIMPs (weakly interacting massice particles, such as Neutralino ) (重質(zhì)量弱相互作用粒子） WIMPs 暗物質(zhì)粒子尋找： 10年將發(fā)現(xiàn)，否則將放棄I）

16、冷暗物質(zhì)的模型：理論上大量數(shù)值模擬；在星系及更大的尺度上大量觀測數(shù)據(jù)的支持； 熱產(chǎn)生WIMPs = 冷暗物質(zhì)II）近期危機(jī)：亞星系（subgalactic）尺度上，溫暗物質(zhì)模型可能能夠更好解釋觀測數(shù)據(jù) （景益鵬，高亮，陶嘉琳等） 非熱產(chǎn)生WIMPs = 溫暗物質(zhì) （張新民等）Cold & Warm WIMPs (cold & warm) WIMPs 暗物質(zhì)粒子探測方法 對撞機(jī): LHC直接探測 DAMA, CDMS 。 （錦屏暗物質(zhì)地下實(shí)驗(yàn)）間接探測 空間：Pamela, ATIC, FERMI, AMS, (紫臺小衛(wèi)星；我國空間站) 地面：H.E.S.S, （我國：羊八井。）ccDirect

17、 detectionccpe+ng_1）cold or warm WIMPs = 暗物質(zhì)間接探測信號不同“天文+粒子”緊密結(jié)合對解開暗物質(zhì)之謎至關(guān)重要袁強(qiáng)等2）暗物質(zhì)空間分布（天文）對 WIMPs（粒子）探測 至關(guān)重要 假設(shè)：如果 “地球附近”沒有暗物質(zhì)， 探測將。？ =LAMOST （and FAST) 暗物質(zhì)研究計(jì)劃19 CMB極化 （Detection of B mode)1964年：發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射（1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）1992年： COBE 衛(wèi)星 （2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)） 開啟“精確宇宙學(xué)”時(shí)代大門2001年：WMAP 衛(wèi)星 精確宇宙學(xué)CMB 極化測量：DASI， WM

18、AP， QUaD， BICEP 。= E modeB Mode Detection 意義重大: i) 探測 張量擾動(dòng)； 直接檢驗(yàn)Inflation, Bounce Cosmology; ii) 檢驗(yàn) CPT 對稱性。 目前旋轉(zhuǎn)角測量狀況 - 3 sigma detectionCMB 觀測： DOME-A； 與QUBIC （the QU bolometric interferometer for cosmology) 合作？ 夏俊卿等中微子宇宙學(xué)1）探測 relic neutrino， 像CMB 一樣，非常重要；2）中微子實(shí)驗(yàn)近年取得大的進(jìn)展： 中微子振蕩= 中微子有質(zhì)量； 大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)（ 15年就取得了重大成果?。?大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)二期;3）有質(zhì)量中微子是自然的暗物質(zhì)粒子，但是 Hot Dark Matter = 宇宙學(xué)限制； 目前，“總質(zhì)量” 小于 0.3 - 0.8 eV Detection with Euclid 4) Leptogenesis =反物質(zhì)丟失之謎；5）中微子暗能量理論 （張新民等，Ann Nelson 等）；6) Steril