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暗物质研究现在进展如何?  

2013-06-22 10:20:48|  分类: 科学 教育 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  • 一答: 全国天文年会是中国天文学会的年度盛会,全国天文界的同仁可以借此机会进行交流。今年的年会由广州大学樊军辉教授负责组织,注册参加者有四百多人,济济一堂,虽然与美国天文学会年会(一般参加者两千多人左右)或其它一些我国大专业学会的年会(如物理学会、电子学会等)还无法相比,但也已具有相当规模了,可以看出我国天文学近年来发展之迅速。我今年应邀做了一个大会报告,另外我组的博士后王有刚在星系和宇宙分会上做一个报告。 我的大会报告题目是《暗物质研究进展》。暗物质自上世纪三十年代 Zwicky 首次发现后,已经过七十多年,至今人们仍然不知其为何物。现在已经知道的是,我们所熟知的普通物质(重子物质)只占宇宙的百分之四或五,而暗物质占了百分之二十左右(其余百分之七十五左右是暗能量),这可以称得上是现代科学中最大的谜之一,自然吸引了世界各国很多天文学家的兴趣。然而在我国,由于历史的原因,研究星系和宇宙学的天文学家相对比例本来就低一些,对暗物质研究熟悉的就更少。因此在我国一段时间内这方面的研究似乎处于非主流的地位。 近年来,情况有所变化,暗物质暗能量的研究已经引起了我国天文界、物理界的广泛兴趣。但是,总的说来大家了解还是比较少,而且也有一些学者可能还存在误解。有一位跟我熟识的天文界同事,就好几次对我说,暗物质研究在过去二十多年里没有什么进展,因此不应该在这一领域投入过多的人力物力。我想,这样坦率公开的质疑和讨论,对于学术研究的健康发展是有益的,我们应该欢迎。但是他这种质疑的产生,也许一定程度上是由于对暗物质研究不够了解。首先,暗物质问题的难解本身正是它的魅力所在,不应该成为我们否定这方面研究的理由。同时,虽然暗物质还未被找到,并不等于在暗物质的研究方面这么多年都没有进展。 从暗物质研究的历史看,上世纪70 年代,通过天文观测发现了大量暗物质存在的证据,从而使暗物质的存在性在国际天文界被普遍接受。80年代,进一步的研究排除了暗物质是普通不发光的重子物质或标准模型中微子的可能性,提出了超对称粒子、轴子等尚未被发现的粒子作为暗物质的候选者。以此为基本假设建立的冷暗物质模型对宇宙中的星系形成和演化给出了很成功的描述和解释。同时,也提出了几种探测暗物质的方案,例如 (1)利用高灵敏度的屏蔽探测器直接探测暗物质;(2)利用高能中微子探测器、伽玛射线望远镜、宇宙线等暗物质湮灭产物间接探测暗物质。90年代以来,上述技术都取得了巨大的进步。目前,暗物质直接探测实验的探测器正由原来的千克级提升到吨级,间接探测的中微子实验也即将进入实用阶段,大型伽玛射线卫星GLAST明年将要发射,可以说暗物质探测实验研究正在进入黄金时代。 与此同时,天文学研究也为我们提供了关于暗物质的许多新的信息。暗能量的发现使得原来冷暗物质模型中的宇宙年龄、物质密度涨落强度等许多疑难得到解决。随着宇宙微波背景辐射、大尺度结构等观测能力的大幅度提高,宇宙学进入了精密定量研究的时代,为宇宙和星系的演化研究提供了一个非常好理论框架。另一方面,随着数值模拟技术的进展,也出现了所谓小尺度危机:(1) 模拟发现暗物质晕的密度分布在中心有尖峰,这与观测到的一些星系中心有近似常密度核的现象不合;(2)本星系群中应该有成百上千的卫星,然而90年代末实际仅发现十几个卫星星系。这两个问题对现在已成为标准的冷暗物质模型提出了挑战。 这些矛盾以及一些其它难以解释的天文观测现象(例如超高能宇宙射线、早期再电离、银河中心存在的大量正电子等)也导致一些人转换思路,提出了许多新的暗物质模型,如温暗物质模型、强相互作用暗物质模型、衰变暗物质模型、超重暗物质模型、轻暗物质模型等。这些模型与过去主要从粒子物理概念出发提出的超对称暗物质、轴子等不同,它们是从一些天文现象出发,指出什么样的暗物质性质有可能解释这些现象。对于这类模型,难以象原来研究超对称暗物质等那样从第一性原理出发讨论其探测,而需要根据它们的性质综合运用各种天文手段,获得“暗物质性质的天体物理限制”。这种研究方兴未艾,今年3月份在加州大学 Irvine 分校召开了以此为专题的讨论会。李政道先生曾经指出,在对暗物质暗能量的研究中,要运用“整体统一”的科学方法, 而这“应该是21世纪最重要的科学方法”。我对李先生这一说法的理解是,“整体统一”方法不同于近代自然科学中占主导地位的还原主义方法,因此这一进展在科学方法论上也颇具特色。 如上所述,我认为暗物质研究并不缺乏进展,实际上可以说是远远超过传统天文学领域的进展。因此,我选择这个报告题目,就是希望将暗物质研究领域的进展情况传递给其他领域的天文界同行(尽管上面提到的那一位同事并未出席此次会议)。同时,也是希望表明,暗物质研究与其它天文研究并非截然分开,而是密切联系在一起的。从事其他领域研究的天文学家,其研究成果也可能会有助于暗物质的研究。我的报告分为三部分,第一部分介绍暗物质研究的基本概念和历史,第二部分重点介绍了一些最近两年的重要发现,如关于子弹头星系团作为暗物质存在直接证据的研究,以及近来对本星系群矮星系的研究。第三部分则主要介绍了我们小组的一些研究进展,如我回国前关于暗物质相互作用和衰变对微波背景辐射影响的研究,张乐同学对暗物质衰变和湮灭对宇宙电离历史的研究,黄峰博士关于射电探测暗物质湮灭的研究,王有刚博士对利用我国即将建设的FAST望远镜对矮星系探测的可行性研究,巩岩同学对暗物质不可见衰变的研究等。 遗憾的是,尽管我花许多时间对报告尽可能做了精心准备,但实际效果并不太好。由于内容过多,因此在25分钟的报告时间里,对每个问题往往只能蜻蜓点水地说一下,而且讲地很快,听众反应不过来,没有时间消化吸收。从报告后的问答以及事后与一些老师、同学的交流看,绝大多数听众对我报告的大部分内容都没有理解,而对于一些暗物质研究方面的小同行来说,我讲的可能又过于泛泛了。这个月初,我曾在卡弗里理论物理所的研讨会上讲过一次用重子声波震荡观测暗能量,由于类似原因效果也不太好。看来,对于怎样做好这类报告,我还是要总结经验教训,加以改进。也许单做科普介绍、或者单讲我们自己的工作进展更为现实一些。
    2008-08-21
  • 暗物质研究现在进展如何? - 鑫淼梦园 - 鑫淼梦园的博客
    二 答: 几十年前,暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物,但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜,但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话,那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过,最近对星系以及亚星系结构的分析显示,这一假设和观测结果之间存在着差异,这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型,为暗物质本性的研究带来新的曙光。 大约65年前,第一次发现了暗物质存在的证据。当时,弗里兹·扎维奇(Fritz Zwicky)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。之后几十年的观测分析证实了这一点。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。 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。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。 当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时,暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲,它们的组成是完全不同的。更重要的是,像普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以,在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此,暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后,两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现,宇宙正在加速膨胀。由此,暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotrope Probe,WMAP)的观测也独立的证实了暗能量的存在,并且使它成为了标准模型的一部分。 暗能量同时也改变了我们对暗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。加上暗能量的话,情况就完全不同了。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,但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,它目前正时宇宙加速膨胀,而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态,否则这种加速膨胀态势将持续下去。 不过,我们忽略了极为重要的一点,那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星,也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力,因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落,而这些涨落会在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。 另一方面,不与辐射耦合的暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后,已经成团的暗物质就开始吸引普通物质,进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。 在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动(涨落),为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态。为此,最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言,其观测到的结果为n=0.99±0.04。 但是如果我们不了解暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的,暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者,由其导致的结构形成,以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。 最被看好的暗物质候选者 长久以来,最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本粒子,它具有寿命长、温度低、无碰撞的特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当,甚至更长。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子,只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。由于成团过程发生在比哈勃视界(宇宙年龄与光速的乘积)小的范围内,而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多,质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大,这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构,而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系,定性上这是与观测相一致的。相反的,对于相对论性粒子,例如中微子,在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对 ^_^
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