暗物质和暗能量25页PPT
天文讲座-暗物质与暗能量 共29页
黑洞不断地吞噬物质
微观世界里的鬼粒子
——中微子
中微子
• 中微子是一种基本粒子， 不带电，质量极小，几乎 不与其他物质作用，在自 然界广泛存在。
• 核反应堆发电（核裂变） 、太阳发光（核聚变）、 天然放射性（贝塔衰变） 、超新星爆发、宇宙射线 等等都有中微子产生。
• 太阳内部核反应产生大量 中微子，每秒钟通过我们 眼睛的中微子数以十亿计 。
中微子的证实
• 由于中微子只参与非常微 弱的弱相互作用，在100 亿个中微子中只有一个会 与物质发生反应，因此中 微子的检测非常困难。
• 从1931年提出直到1956 年，这项试验才由美国物 理学家弗雷德里克·莱因 斯完成，从而证实了中微 子的存在。为此，他获得 了2019年诺贝尔物理学奖。
相对论是现
存在证据
• 支持暗能量的主要证据有两个： • 一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇
宙在加速膨胀，星系膨胀的速度不象哈勃定律描 述的那样，是恒定的，而是在不断加速。加速膨 胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量 "。 • 另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精 确地测量出宇宙中物质的总密度。普通物质与暗 物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3 的短缺。这一短缺的物质称为暗能量。 • 暗能量在宇宙中占总物质的73％。
发现过程-能量亏损与能量守恒？
• 中子在衰变成质子和 电子即β衰变时，能量 会出现亏损，电子只 带走了它应该带走的 能量的一部分，还有 一部分能量失踪了！
• 物理学上著名的哥本 哈根学派鼻祖尼尔斯· 玻尔据此认为，β衰变 过程中能量守恒定律 失效。
泡利预言
• 1931年春，国际核物理会 议在罗马召开，泡利在会 上提出，能量亏损的原因 是因为中子作为一种大质 量的中性粒子在衰变过程 中变成了质子、电子和一 种质量小的中性粒子，正 是这种小质量粒子将能量 带走了。β衰变过程中能 量守恒定律仍然是正确的。 泡利预言的这个窃走能量 的“小偷”就是中微子。
暗物质和暗能量共25页
暗物质和暗能量
1、合法而稳定的权力在使ห้องสมุดไป่ตู้得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
暗物质与暗能量
• Can determine baryon fraction of the cluster fBh3/2=0.0560.014
• Combine with the BBN Wmatterh1/2=0.380.07
MAssive Compact Halo Objects (MACHOs)
• Search for microlensing towards LMC, SMC
• When a “Jupiter” passes the line of sight, the background star brightens
vacuum-dominated Universe • Density fluctuation grows linearly in matter-
dominated Universe • If only matter=baryons, had only time for 103
growth from 10–5: not enough time by now!
Brief review of standard cosmology
The Isotropic Universe
The Cosmological Principle
• Universe highly isotropic
– CMBR anisotropy O(10–5)
• Unless we occupy the “center of the Universe,” it must also be homogenous
Particle is a superpartner of a gauge boson in most models: “bino” a perfect candidate for WIMP • But there are many other possibilities (technibaryons, gravitino, axino, invisible axion, WIMPZILLAS, etc)
暗物质与暗能量
重要矛盾！
哈勃常数的测定：
H0=(71±7)0.951.15 km s-1 Mpc-1
哈勃年龄：1/H0=(1.38 0.14)1010 年
若Λ＝0，k＝0，真实年龄 t0=2/3H0=(0.92±0.09) 1010年
2019年9月10日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
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宇宙动力学
2019年9月10日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
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宇宙年龄的上限
如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄： t＝1/H0（称哈勃年龄）
存在引力，宇宙减速膨胀， t<1/H0： 哈勃年龄为宇宙年龄上限。
2019年9月10日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
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哈勃年龄 ：1/H0
2019年9月10日
真实年龄小于哈勃年龄
0
kc2
c2R2 3
8G 3
R2
只要为正，、P均可为正
、为正，k必为 正，必为闭宇宙。
2019年9月10日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
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爱因斯坦宇宙
静态 这是第一个现代宇宙学模型 线元：dl2 R2{dr2 /(1 r 2 ) r 2 (d 2 sin2 d 2 )} 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
DL(z) = [Lp/(4F)]1/2
1) A tight relation: Lp ~ Δm15 (Phillips 1993) 2) Multi-color light curve shape (Riess et al. 1995) 3) The stretch method (Perlmutter et al. 1999) 4) The Bayesian adapted template match (BATM)
暗宇宙里的暗物质与暗能量
暗宇宙里的暗物质与暗能量两条互不相干的理由让科学家相信，宇宙中充斥着某种未知形式的物质——暗物质。
一是恒星、星系和气体云团的运动方式，就好像它们受到了不可见物质引力的牵引。
二是放射性衰变之类的过程提出的难题，可以用一些迄今未知的粒子来合理解释。
暗物质和暗能量构成的“暗宇宙”，与我们的宇宙交织在一起。
虽然看不见也摸不着，但暗宇宙中的暗居民们或许过着跟我们一样丰富精彩的隐秘生活。
暗物质和暗能量构成了一个我们看不到也摸不着的暗宇宙，与我们的可见世界交织在一起。
那里会不会有我们看不见的电子和质子，构成我们看不见的原子和分子，再构建起我们看不见的行星和恒星，甚至进化出我们看不见的人类呢？粒子物理学家为这些问题提供了意想不到的答案。
两条互不相干的理由让科学家相信，宇宙中充斥着某种未知形式的物质——暗物质。
一是恒星、星系和气体云团的运动方式，就好像它们受到了不可见物质引力的牵引。
二是放射性衰变之类的过程提出的难题，可以用一些迄今未知的粒子来合理解释。
通常认为暗物质由WIMP粒子构成，这种粒子几乎不与可见世界发生相互作用。
孤僻是它的必要条件。
或者至少可以说，这是常见的假设。
暗物质有没有可能实际上拥有丰富精彩的内部生活？努力想弄明白暗物质由什么东西构成的粒子物理学家认为，它们能够通过一大堆作用力发生互动，其中就包括某种我们的眼睛完全不可见的“光”。
1846 年9 月23 日，德国柏林天文台台长约翰·戈特弗里德·伽勒（Johann Gottfried Galle）收到一封信，一封即将改变天文学发展进程的信。
寄这封信的是一个法国人，名叫于尔班·勒威耶（Urbain Le Verrier）。
他一直在研究天王星（Uranus）的运动，得出了如下结论——天王星的轨迹无法用当时已知的、作用于其上的引力来完全解释。
于是勒威耶提出，必定存在一个当时尚未观测到的天体，它的引力干扰了天王星轨道，而且干扰方式刚好能够解释观测到的异常运动。
《全息暗能量》课件
概念提出：由物 理学家提出，用 于解释宇宙加速 膨胀现象
理论基础：基于 广义相对论和量 子力学
研究进展：目前 尚无定论，存在 多种理论模型
应用前景：可能 对宇宙学、天体 物理学等领域产 生重大影响
全息暗能量的应用场景
Part Three
全息暗能量的原理
全息暗能量的基本原理
全息暗能量：一种假设存在的能量形式， 与宇宙膨胀和暗物质有关
Part Five
全息暗能量的未来 发展
全息暗能量技术的发展趋势
技术突破：全息暗能量技术的不断 突破和创新
市场规模：全息暗能量技术的市场 规模不断扩大
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
应用领域：全息暗能量技术在更多 领域的应用和发展
技术挑战：全息暗能量技术面临的 技术挑战和问题
全息暗能量技术的未来应用场景
全息暗能量技术的未来发展方向
技术应用：在通信、医疗、军事等领域的应用前景 理论研究：对全息暗能量理论的深入研究和探索 技术突破：实现全息暗能量技术的突破和创新 国际合作：加强国际合作，共同推动全息暗能量技术的发展
THANKS
汇报人：PPT
造
军事训练：全 息暗能量在军 事训练领域的 应用，如虚拟
战场模拟
全息暗能量在混合现实中的应用
增强现实 （AR）：通过 全息暗能量技 术，增强现实 可以更加逼真 地呈现虚拟物 体，提高用户
体验。
虚拟现实 （VR）：全息 暗能量技术可 以提供更加真 实的虚拟环境， 提高虚拟现实
的沉浸感。
混合现实 （MR）：全 息暗能量技术 可以融合现实 和虚拟世界， 实现更加自然 的交互体验。
全息暗能量在增强现实中的应用
增强现实技术： 通过全息暗能 量实现更逼真 的虚拟与现实
暗物质、暗能量和反物质
暗物质、暗能量和反物质宇宙的起源和进化是物理学研究的最基本的问题之一。
建立在广义相对论和宇宙学原理（即在宇宙大尺度上，物质的分布是高度均匀各向同性的）之上的大爆炸宇宙模型告诉我们大约137亿年前，大爆炸发生的那一刻，宇宙处于一个极致密、极高温的状态，形成了空间和时间，宇宙随之诞生，并经过膨胀、冷却演化至今。
在这个过程中，宇宙经历了原初轻元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恒星形成等几个重要的时期，星系、地球、空气、水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。
二十世纪二十年代，天文学家哈勃从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中所有的星系都在彼此远离退行，距离越远，退行速度越大，二者成正比，这个比例系数被称为哈勃常数，这个规律叫哈勃定律。
在此基础上，产生"膨胀宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。
二十世纪大量的天文观测和天体物理研究结果都证实这个模型。
2003年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。
这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。
WMAP的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量, SDSS 也给出类似的结果。
从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。
然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子（如光子，胶子等）。
北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。
什么是暗物质呢？暗物质是不发光的，但是它有显著的引力效应。
比如，对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度，如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话，由牛顿引力定律可知，距离中心越远，速度应该越小。
可是天文观测事实不是这样的，这就说明当中有看不见的暗物质。
暗物质与暗能量
2 2Βιβλιοθήκη 只要为正，、P均可为正 、为正，k必为 正，必为闭宇宙。
2 G kc2 c3R 8 R 3
爱因斯坦宇宙
静态 这是第一个现代宇宙学模型 2 2 2 2 2 2 2 2 dl R { dr /( 1 r ) r ( d sin d )} 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
宇宙年龄的上限
如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄： t＝1/H0（称哈勃年龄） 存在引力，宇宙减速膨胀， t<1/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
哈勃常数测定的变迁
1929年，哈勃本人首次给出H0＝500（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，
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， 10－5。
· · · · · ·
宇宙年龄
怎样测量宇宙年龄?
宇宙年龄的下限
暗物质与暗能量(精)
旋涡星系
“观测”暗物质的手段
引力透镜法 旋涡星系的旋转曲线 星系中的恒星或星系团中的星系的速度弥散 星系团（及椭圆星系）的X射线气体的流体静力 学平衡方法 星系团的苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应
暗能量的发现
在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我 们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是 等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭 的还是开放的） 与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙， 其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的 普通物质和96%的暗物质。 但事实上，观测从来就没有与此相符合过。
暗物质与暗能量
2010级物理学一班 刘永祥 201072010236
暗物质的发现
大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据 。 弗里兹· 扎维奇发现，大型星系团中的星系具有 极高的运动速度 ，除非星系团的质量是根据其 中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则 星系团根本无法束缚住这些星系。 最直观的证据是旋涡星系的旋转曲线 尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80 年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广 为接受了。
宇宙微波背景辐射
宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充 满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标为 2.725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。宇 宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年.大 爆炸宇宙学说认为，凞发生大爆炸时，凋宇宙的 温度是极高的，刃之后慢慢降温，刚到现在约 150亿年后大现暗能量，仅知道暗物质时： 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。 当认识到暗能量时： 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。并且宇宙已经从物质占 主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。
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1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
暗物质和暗能量 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。