宇宙中的暗物质

探测进展
□ 没有确切证实WIMPs存在的证据 发现了一些可能证据 天体（如脉冲星）的影响无法排除 □ 需要所有探测器数据一致 困难 仪器精度不同、能量分辨率不同 □ 受到质疑 是否可行？如空间正电子探测，正负电子对的量是否可 以形成异常峰？ 是否有更有效的探测技术？ □ 展望 实验探索 理论完善
修改牛顿引力（MOND）理论
暗物质探测在中国
空间暗物质探测器 发射卫星 紫金山天文台、高能
所、兰州近物所、科大
四川锦屏山地下实验室 2500m 清华大学 液氙探测器 200kg 上海交大 南极施密特望远镜阵（AST3）位于南极冰穹A
最被看好的暗物质候选者
低温无碰撞暗物质（CCDM） 具有寿命长、温度低、无碰撞的特性 优势： 1 . CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致 2 . 作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP） 可以很好的解释其在宇宙中的丰度。 3 .理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子 如中 性子和轴子。 缺点：在从1Mpc到Kpc小一些的尺度上，出现了不一 致。
成果
• 2007年5月15日 ，哈勃望远镜公 布了星系团 CL0024+17拥 有暗物质环的图 像，环径大260 万光年。
双鱼座ＣＬ００２４＋１７星系暗 物质环
旋涡星系的旋转曲线
旋涡星系
星系旋转曲线
曲线平坦部分远 高于Kepler情形
漩涡星系ＮＧＣ３１９８的转动曲线，带 点子是观测数据，实线是星系盘胡星晕的 拟合曲线
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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%的暗物质以被广为接受了。
旋涡星系的旋转曲线
• 实际旋涡星系旋转曲线 ：在R 较小时旋转速度 随R 增加而增加，但在R 较大时旋转速度倾向于 常数。但是开普勒运动 规律预言R 较大时，旋 转速度会下降，而实际 测量到星系的旋转曲线 都比较平缓。这就是目 前从星系的旋转曲线推 断出有暗物质（或发光 效率极低）存在的根据 。图1(a)是银河系的旋转 曲线，(b)许多其它星系 的旋转曲线。
• 1983年，以色列物理学家米尔格若姆曾提出暗 物质可能不存在。 • 他认为，牛顿动力学的适用范围仅是我们地球 附近和太阳系内。 • 宇宙引力场强度很微弱，牛顿动力学应作如下 修改：在引力场弱到10/-8时，引力将不再是牛 顿的平方成反比，而变成一次方反比。
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暗物质的“观测”手段
1、引力透镜法 2、旋涡星系的旋转曲线 3、星系中的恒星或星系团 中的星系的速度弥散 4、星系团(及椭圆星系)的 X射线气体的流体静力学平 衡方法 5、星系团的苏尼亚耶夫泽尔多维奇效
引力透镜法
引力透镜 a、广义相对论：光线通过引 力场时会偏转 b、一个暗弱的前景天体（如 褐矮星）引起的引力透镜效 应会导致背景恒星暂时地、 然而明显地变亮，从而提供 了一种检测暗物质的方法。
暗物质的特点
• 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。
暗物质是什么？？
暗物质分类
•历史上，人们将可能的暗物质分为三个大类：冷暗物质 、温暗物质、热暗物质。 这个分类并非依照粒子的真实 温度，而是依照其运动的速率。 •冷暗物质：在古典速度下运动的物质。 •温暗物质：粒子运动速度足以产生相对论效应。 •热暗物质：粒子速度接近光速。
宇宙中的暗物质
宇宙中的暗物质
在宇宙学中，暗物质（dark matter）又称为暗质，是指无法 通过电磁波的观测进行研究，也
就是不与电磁力产生作用的物质。
人们目前只能通过引力产生的效 应得知，而且已经发现宇宙中有
大量暗物质的存在。
物质分布
• 能观测到的物质 4% • 暗物质 23% • 暗能量 73%