对暗能量探测的实验研究

华中科技大学广义相对论期末作业

考生姓名程源

考生学号 M201370163 系、年级物理学院2013级

类别硕士生

考试科目广义相对论

考试日期 2013年12月26日

对暗能量探测的实验研究

摘要：自1998年发现宇宙的加速膨胀以来,大量的天文观测显示宇宙中存在压强为负的暗能量成分。暗能量已经成为目前宇宙学和理论物理的最重要的研究课题之一。暗能量的存在改变了人们对物质在宇宙中所起作用的认识，本文详细介绍了暗能量的几种理论模型，以及近年来各种实验数据对暗能量的证实，以及新的构想去证明暗能量的存在。

关键词：暗能量加速膨胀理论模型

一引言

暗能量的存在改变了人们对物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论,在一个仅含有物质的宇宙中,物质密度决定了宇宙的几何,以及宇宙的过去和未来；如果考虑暗能量,情况就完全不同。首先,总能量密度(物质能量密度与暗能量密度之和)决定着宇宙的几何特性；其次,宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在大爆炸之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位,但这已成为过去；现在宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,因此研究暗能量的本质属性是当前宇宙学研究的一项重要任务。

宇宙学作为一门观测科学,起源于20世纪20年代初。随着探测技术,特别是空间探测技术的发展,新一代高精度的气球、望远镜和卫星等实验数据的空前积累极大丰富了人们对宇宙的认识；尤其是2003年、2006年和2008年三次公布的威尔金森各向异性探测器(WMAP)的观测结果[1],以及斯隆数字巡夭(SDSS)等结果的出现,精确给出大多数宇宙学参数的测量结果,并最终建立起了当代宇宙学的标准模型一大爆炸+暴涨+ACDM模型.该模型认为,现在宇宙中的成分包括:约73%的暗能23%的暗物质(主要是冷暗物质)4%左右的重子物质,以及少量的光子和中微子。其中未知的暗能量和暗物质是现在宇宙的主要组分,这是当代宇宙观测给出的最重要最出人意料的结果。另外该模型认为在宇宙的极早期,大爆炸开始之后宇宙存在一个急速膨胀阶段,即暴涨阶段,该阶段抹平了早期宇宙存在的各种不均匀性并且留下了后来宇宙结构形成的种子[2]。

二暗能量的简介

1998年,科学家在利用Ia 型超新星检测宇宙的膨胀速度时发现它们的亮度比原来预期的要暗,这意味着这些超新星距离人们比原来标准冷暗物质模型所预言的要远；也就是说,宇宙并不处于原来标准冷暗物质模型预言的减速膨胀状态,而是处于加速膨胀的状态。这有一种可能的解释,那就是宇宙中存在某种神秘的力量超越了宇宙中的物质引力,推动着宇宙的加速膨胀；科学家将这种未知的力量称为暗能量,因此简单地说,暗能量就是一种未知的引起宇宙加速膨胀的机制,于是关于暗能量间题的解释严格地说就是对宇宙加速膨胀问题的解释。

自1998年人们发现宇宙的加速膨胀以来[3],暗能量一直是宇宙学研究中的热点问题之一。近几年更多的观测结果(如Ia 型超新星、CMB 以及大尺度结构等的观测数据) [4]又进一步证实了暗能量的存在。宇宙加速膨胀的发现所引出的暗能量问题,不仅改变着人类对宇宙的认识,还不断地向已有的物理规律提出挑战。暗能量的存在解决了关于宇宙的年龄、膨胀速度及其组成成分等一系列问题的长期争论。如今大多数的天文学家和物理学家都接受了这样一个事实,即暗能量约占据了现在宇宙总能量密度的2/3,它对决定宇宙未来的命运起着举足轻重的作用,因此暗能量问题可以说是目前宇宙学中最重要的研究课题之一在不含宇宙学常数的情况下,描述宇宙膨胀的尺度因子()a t 与宇宙物质能量密度ρ和压强p 之间存在以下关系：

''

4(3)3

a G P a ρ=-+π 从这个式子可以看出,暗能量必须具有足够大的负引力,至少要满足

30P ρ+< (即暗能量的状态方程要满足13P ωρ=<-),才能使宇宙加速膨胀。 通过目前的观测可以确定,暗能量应当具有以下特征:(l)暗能量不发射也不吸收光子；(2)它具有相当大的负压力；(3)它在空间的分布几乎是均匀的,至少在星系团的尺度范围内都不会积聚形成可观测、可识别的结构。

三 暗能量的各种理论

人们对暗能量的解释真是五花八门,毫不夸张地说,每一个研究过暗能量的人都有自己的理论。虽然对暗能量有非常多的解释,1988年温伯格对各种理论做了分类,每个理论或模型都可以归类为5种类型中的一类[5]。从1988年到现

在,又有十多年过去了,理论和模型又增加了许多,特别是自从从超新星推断暗能量的存在以来,更多的人对暗能量发生兴趣,然而所有这些新理论和模型还是可

以用温伯格的5类大致来分类。这5大类分别是:(1)超对称/超引力,超弦理论。

(2)人择原理。(3)调节机制。(4)改变爱因斯坦引力理论。(5)量子宇宙学。也

许有少数模型不是精确地属于以上5类的任何一类,例如最近被许多人开始重视的全息暗能量理论。

四天文数据对暗能量的实验验证

1宇宙微波背景辐射数据

在众多的宇宙微波背景辐射数据（CMB）观测实验中,最著名的就是威尔金森微波各向异性探测器[1](Wilkinson Micro-wave Anisotropy Probe,简称WMAP)WMAP是以宇宙微波背景辐射的先躯研究者大卫.威尔金森的名字来命名的[6],由美国航空航天局(NASA)在1995年提出的人造卫星,并于2001年6月30日,搭载德尔塔型火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射升空,并在日)地系统的、距离地球公里的L2点运行。WMAP的物理目标是找出宇宙微波背景辐射温度之间的微小涨落,以帮助检验宇宙学相关的各种理论。它是COBE卫星的继承者,是中级探索者卫星系列之一。到目前为止,WMAP已经在2003年2006年公布了两次观测数据,并在2008年上半年公布第三批数据[7]。

除了WMAP卫星之外,地面上也还有很多CMB观测实验,比如位于南极的BOOMERanG气球实验[8]和ACBAR实验[9]、位于智利Chajnantor天文台的CBI实验[10]以及位于西班牙Tenerife岛的VSA实验[11]。相对于WMAP卫星所观测的是宇宙微波背景辐射在大尺度上的温度涨落,这些地面实验主要提供的是小尺度上温度涨落的信息,这就为WMAP观测数据提供了很好的补充。

2大尺度结构数据

大尺度结构数据(Large Scale Structure,简称LSS)的观测，在大尺度结构观测方面,目前国际上最主要的实验有两个,一个是2度视场星系红移巡天实验[17](Two-Degree Field Gal-axy Redshift Survey,简称2dFGRS)。2dFGRS 是英国和澳大利亚合作,利用澳大利亚新南威尔士州英)澳天文台 3.9米口径的英)澳望远镜所进行的大型巡天项目。整个实验已经获取了20余万个天体的光