暗物质和暗能量共23页
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
暗物质与暗能量什么是暗物质暗物质（Dark Matter）是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。
暗物质的密度非常小，但是数量非常庞大。
自从牛顿发现了万有引力定律以来, 人们就一直尝试用引力理论来解释各种天体的运动规律, 在这个过程中, “暗物质”的概念很早就已经形成了。
现代意义下的暗物质概念是瑞士天文学家家弗里兹·兹威基（Fritz Zwicky）早在1933 年研究后发星系团中星系运动的速度弥散时就提出来了。
他根据所测得的星系速度弥散并应用维理定理得到了后发星系团的质光比, 发现其比太阳的质光比要大400 倍左右。
1934 年，他在研究星系团中星系的轨道速度时，为了解释“缺失的物质”问题而正式提出了暗物质的概念．但当时并没引起太多的关注，直到40 年后，人们在研究星系中恒星的运动时遇到类似的困难: 人们发现如果仅考虑可见( 发光) 物体彼此之间的相互吸引力，那么各式各样的发光天体( 包括恒星、恒星团、气状星云，或整个星系) 运动的速度要比人们预想的快一些。
暗物质存在最直接的证据来自于漩涡星系旋转曲线的测量。
通常测量的旋转曲线在距离星系中心很远的地方会变平, 并且一直延伸到可见的星系盘边缘以外很远的地方都不会下降。
如果没有暗物质存在, 很容易得到在距离很远的地方旋转速度会随距离下降: v(r)= GM(r)! r ∝1!r因此, 平坦的旋转曲线就意味着星系中包含了更多的物质。
2003 年，Wilkinson 微波背景各向异性探测( WMAP) 、Sloan数字巡天( SDSS) 和最近的超新星( SN) 等天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步有力地证实了暗物质的存在．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．最新数据显示，在宇宙能量构成中，暗能量占72%，暗物质占23%，重子类物质只占了5%左右．暗物质的探测暗物质的探测可以分为如下3 种方法。
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
18
宇宙动力学
2019年9月10日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
14
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
15
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
24
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)
暗物质与暗能量
静态宇宙：
要求 R R 0 , 即
kc2
8 G 3
R2
为正，k必为正，闭宇宙
3P c2
0
和P必有一负，一般是做不到的。
2019年10月2日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
23
Einstein宇宙与宇宙常数
Einstein方程
R
1 2
g R
g
陆 埮 中科院 紫金山天文台
16
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，
只有H0-1 = 1.84108 年。）
1956年，Humasion等人给出H0 = 180。 1961年，Sandage等人给出H0 = 98±15。 1970’s年， Sandage等人给出H0 = 50.3±4.3;
2019年10月2日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
35
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。
Ia型超新星
2019年10月2日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
36
超新星宇宙学
Luminosity distance of a standard candle
有引力，却不发光
2019年10月2日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
7
Vconst VR-1/2(Kepler)
2019年10月2日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
8
星系旋转曲线
暗物质和暗能量25页PPT
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。
暗物质与暗能量
2011年11月26日
陆 埮
中科院 紫金山天文台
10
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。 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： 可能候选者：Neutralino、Axion等。 、 等
nγ ≈ 400(T/2.7K)3 cm-3
• Hubble关系：
Z=(λ-λe)/λe=(H0/c)D
H0=100h0 km/(s.Mpc) h0 ≈ 0.71±0.07 ±
• 重子-光子比： η = nB/nγ ∼ 10-10 • 轻核素丰度： 4He：0.22≤Y≤0.24 ≤ ≤ D/H≥1.8×10-5 (D+3He)/H≤1.0 ×10-4 7Li/H≈ (1.0-1.4) ×10-10 • 宇宙年龄： tgc =(1.5±0.4) ×1010年 ± 1/H0= (1.38 ± 0.14) ×1010 年
DL(z) = [Lp/(4πF)]1/2 π
Hubble常数
2011年11月26日
& H (t ) = R / R
陆 埮
&& & q = −RR/ R =
= Ω 2 ρc 2
29
中科院 紫金山天文台
两个可观测参数
Hubble常数 减速因子
& H (t ) = R / R
H Ω
&&R/ R2 = 1 ρ = 1 Ω q = −R & 2 ρc 2
4πG 3
(ρ +
暗物质和暗能量
暗物质和暗能量按PPT翻译过来的（下面的页码也是PPT页码排的）1990年的早期,有一件事很确定关于宇宙的膨胀。
它可能有足够的能量密度停止扩张和recollapse,它可能很少能量密度,它永远不会停止扩张,但重力是肯定会减缓扩张随着时间的推移。
当然,放缓并没有被观察到,但是,从理论上讲,宇宙已经放缓。
宇宙充满了物质和重力的吸引力将所有物质在一起。
随后1998年,哈勃太空望远镜(HST)遥远的超新星的观察表明,很久很久以前,宇宙是膨胀比今天更慢。
所以没有减缓宇宙膨胀的由于重力,当每个人都认为,它已经加速。
没有人预计这一点,没有人知道如何解释它。
但是造成。
最终理论家提出了三种解释。
也许是由于爱因斯坦的引力理论的众多版本,包含一个所谓“宇宙常数。
“也许有一些奇怪的energy-fluid填补空间。
也许有毛病爱因斯坦的引力理论和新理论可能包括某种领域创造了这个宇宙加速度。
理论家们仍然不知道什么是正确的解释,但他们给了解决方案名称。
它被称为暗能量。
宇宙宇宙黑暗Energy-1扩大这个图揭示了宇宙膨胀率的变化自150亿年前诞生的。
曲线越浅,越快的速度扩张。
大约75亿年前的曲线变化明显,当物体在宇宙中开始的速度分崩离析。
天文学家推测,膨胀率是由于神秘得越快,黑暗的力量,正在星系分开。
我们知道暗能量有多大,因为我们知道它如何影响宇宙的扩张。
除此之外,它是一个完整的谜。
但它是一个重要的谜。
事实证明,大约68%的宇宙是暗能量。
暗物质约占27%。
其余——地球上的一切,一切与我们所有的仪器,观察正常物质——加起来不到5%的宇宙。
仔细想想,也许不应该称为“正常”物质,因为它是宇宙的一小部分。
对暗能量的一种解释是,它是一个空间的属性。
爱因斯坦是第一个意识到不是什么空的空间。
空间有惊人的属性,其中很多是刚刚开始被理解。
第一属性,爱因斯坦发现有可能产生更多的空间。
然后爱因斯坦的引力理论的一个版本,版本,包含了宇宙常数,使得第二个预测:“空的空间”都可以拥有自己的能量。
暗物质和暗能量PPT25页
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
暗物质与暗能量
2020年8月3日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
23
Einstein宇宙与宇宙常数
Einstein方程
R
1 2
g R
g
8G c4
T
R
R
4G
3
P c2
1 3
c2
4G 3
3P c2 c2 4G
R 2
kc2
c2R2 3
8G
3ห้องสมุดไป่ตู้
R2
为使Einstein宇宙成为静态,要求 R R 0 , 此时
• 微波背景辐射（黑体、 各向同性）：
T=2.726K
nγ 400(T/2.7K)3 cm-3
• Hubble关系：
Z=(λ-λe)/λe=(H0/c)D
H0=100h0 km/(s.Mpc) h0 0.71±0.07
• 重子-光子比： η = nB/nγ ∼ 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
method (Tonry et al. 2003)
2020年8月3日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
37
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！
2020年8月3日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
38
密度：
B∼10-31 g/cm3
2020年8月3日
陆 埮 中科院 紫金山天文台
6
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。
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。
暗物质与暗能量共76页文档
2020/6/17
陆 埮 中科院 紫金山天文台
11
宇宙年龄
怎样测量宇宙年龄?
2020/6/17
陆 埮 中科院 紫金山天文台
12
宇宙年龄的下限
• 宇宙年龄大于任何天体的年龄： ♪ 地球年龄：放射性测量 ♪ 太阳系年龄： ♪ 年龄最大的球状星团： t =(1.5±0.4) 1010 年 为宇宙年龄下限
陆 埮 中科院 紫金山天文台
18
Feynman 名言
“物理学家具有这样的习惯，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
2020/6/17
陆 埮 中科院 紫金山天文台
19
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。”
2020/6/17
陆 埮 中科院 紫金山天文台
13
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。
2020/6/17
陆 埮 中科院 紫金山天文台
14
哈勃年龄 ：1/H0
2020/6/17
真实年龄小于哈勃年龄
陆 埮 中科院 紫金山天文台
15
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，
只有H0-1 = 1.84108 年。）
1956年，Humasion等人给出H0 = 180。 1961年，Sandage等人给出H0 = 98±15。 1970’s年， Sandage等人给出H0 = 50.3±4.3;