侦测暗物质,“哈勃”很给力

侦测星系团中的暗物质 借助＂哈勃＂太空望远镜,根据＂引力透镜＂原理,科学家们绘制了一幅暗物质分布图,从而标示出了一个巨型星系团中的暗物质分布情况。     

通过数值模拟技术探索暗物质晕的密度轮廓

数值模拟技术不仅帮助我们确立了以暗物质、暗能量为主导的LCDM(Λcold dark matter)标准宇宙学模型,也帮助我们对暗物质形成的结构体——暗晕的各种属性给出了精细的刻画,特别是暗物质晕的密度轮廓.本文首先回顾了这一领域自20世纪80年代以来的发展历史.通过数值模拟,人们发现,暗晕密度轮廓并非理论模型预测的单一幂律分布,而是从内向外,幂指数从–1左右到–3逐渐变化;而且,暗晕的内部结构由其形成历史决定.此后,人们逐步对100万太阳质量以上暗晕的内部结构有了非常精准的刻画.但由于计算资源的限制,对比这一质量小的暗晕则依然了解甚少.最近通过新开发的多重模拟技术,我们才得以对从最小的地球大小的暗晕(10–6太阳质量)到最大的星系团暗晕(1015太阳质量)的内部结构给出精确描述.本文对这一重要进展进行了详细的解读.总之,对所有质量暗晕的密度轮廓的认识将会帮助我们理解物质在宇宙中的分布、暗晕形成在星系形成过程中的作用,同时也将帮助我们去探索如何更好地通过天体物理方法来确定暗物质的本质属性,但重子物质的各种复杂物理过程对暗晕内部结构,特别是密度轮廓的影响依然还是一个开放的问题,这也将是我们下一步需要研究的主要方向.     

暗物质粒子平均每分钟撞击一次人体

根据几项暗物质探测项目获得的数据,平均大约1分钟就会有暗物质粒子击中人体。暗物质不同于常规物质,它们完全不可见。科学家们之所以能知道它们的存在,是因为它们会对宇宙中的星系和星系团产生引力作用。科学家们估算认为这种神秘的暗物质占到了整个宇宙中所有＂物质＂总量的80%。到目前为止,尚没有任何人能够确定地指出暗物质的组成粒子究竟是什么。     

暗物质三维图像描绘星系历史

研究人员揭示了宇宙一部分不为人知的3-D图像——过去,宇宙学家花了20年时间绘制了一张宇宙的图像,揭示的大量可见星系并不是随机排列,而是呈现出惊人的结构;现在,科学家正在探测的结构是宇宙中一种看不见的“暗物质”,正是暗物质的引力作用使星体凝聚到一起形成了星系,并使星系聚集成半径达数千万光年的星系团。     

暗物质源于真空？

暗物质源于真空？叶明山天文观测发现，星系、星系团等天体系统的动力学质量远大于光度学质量，表明在这些天体系统中存在大量不发光的“暗物质”。对于暗物质的具体形态已有多种猜测，但最恰当的解释可能是：除了少数暗物质由某些矮星及中子星、黑洞等组成外，大多数暗物...     

暗物质粒子探测卫星研究进展

天文观测表明,宇宙中广泛存在暗物质,其丰度是普通物质的5倍,占宇宙总能量份额的约1/4.自20世纪30年代天文学家通过引力观测发现暗物质以来,经过近百年的探索,其物理本质至今仍然不为我们所知.另一个世纪谜题是高能宇宙射线的起源、加速和传播.暗物质的本质和宇宙射线的起源位列美国国家研究委员会(National Research Council)遴选出的21世纪11个宇宙物理学重大科学问题之列.探测暗物质粒子也是世界各国竞争异常激烈的科技热点.我国发射的暗物质粒子探测卫星,其主要的科学目标即通过精确观测高能宇宙射线电子和伽马射线来间接探测暗物质粒子.作为一个高能粒子探测器,暗物质粒子探测卫星观测数据也可用于宇宙射线物理和相关天体物理研究.基于暗物质粒子探测卫星的数据,我们得到了对宇宙射线电子和质子能谱的最为精确的测量,揭示了能谱上的新结构,为限制暗物质粒子属性和理解宇宙射线起源提供了重要数据.暗物质粒子探测卫星还探测到约250个伽马射线点源以及银河系弥散伽马射线辐射.本文综述了暗物质粒子探测卫星的设计、运行和数据分析进展.     

引力透镜效应与暗物质探测*

引力透镜是广义相对论引申的强引力场中特殊的光学效应。20世纪80年代以来,天文观测发现了许多引力透镜效应的实例,包括“爱因斯坦环”。一些本来很难探测的非常遥远、非常暗弱的天体,幸亏引力透镜效应而进入当代天文学家的视野。“大爆炸”70万年以后,宇宙处于延续4～5亿年的“黑暗年代”,物质大体呈均匀结构,没有任何自主发光的天体。星光灿烂的辉煌时期始于何时？引力透镜效应的观测给出了相关信息。被称为21世纪“两朵乌云”之一的暗物质,比所有人类已知物质的总量多4倍以上,不发出任何辐射,不可能被直观测到。引力透镜效应作为发现宇宙暗物质的探针,在寻找暗物质确实存在的直接证据和分析暗物质的空间分布方面作出了贡献。     

超致密矮星系的潮汐剥离演化序列

<正>长期以来,星系(galaxy)和星团(star cluster)被认为是截然不同的两类天体.星系在暗物质晕中诞生成长,有较为复杂的恒星形成历史,是由大量恒星、气体、尘埃和暗物质等物质组成的天体系统,往往有着庞大的结构.星系的形态也多种多样,包括椭圆星系、旋涡星系、不规则星系等.多个星系通常以星系群和星系团的形式存在,形成宇宙中大尺度结构的同时,也互相影响着各自的演化轨迹.     

研究人员揭示了宇宙一部分不为人知的3-D图像——暗物质三维图像描绘星系历史

过去，宇宙学家花了20年时间绘制了一张宇宙的图像，揭示的大量可见星系并不是随机排列，而是呈现出惊人的结构；现在，科学家正在探测的结构是宇宙中一种看不见的“暗物质”，正是暗物质的引力作用使星体凝聚到一起形成了星系，并使星系聚集成半径达数千万光年的星系团。     

宇宙是由什么构成的?

通过星系、星系团,乃至宇宙整体的动力学行为,天文学家发现宇宙中绝大部分物质是不发光的,即暗的.其中暗物质占宇宙中总物质和能量的27%,暗能量占68%,而普通物质(即粒子物理标准模型粒子)只占5%.暗物质和暗能量是当代天文学和物理学的重大发现,是主要研究前沿.我们回顾暗物质和暗能量的发现历史、已知属性和待解决的问题.     

暗物质的密度非均匀性的发展

有关宇宙大尺度结构的一个基本问题是:为什么宇宙中的可视天体的分布与不可视物质(或暗物质)的分布有明显的不同?亦即,从星系,到星系团,超星系团,直到大约一百Mpc尺度以下,可视天体的分布都有可辨认的成团,另一方面,不可视物质的分布只有较小的非均匀性,这是如何形成的?     

自然信息

天文学家在测量星系时早就发现,它们的动力学质量比光度质量大得多。如后发座星系团,前者比后者大100倍。在测量光度很低的星系晕时,测得的质光比很大,其数值达几百以上,而在太阳邻近区域质光比却只有2。这说明暗物质在宇宙平均物质密度中占极大的比重,它们弥漫于星系团、星系群之     

含有大量暗物质的星系团

波江座A是波江星座中的一个小星系团。美国普林斯顿高等研究院的安德鲁·古尔德研究了这个星系团,认为它含有大量的暗物质。巨椭圆星系NGC1407是该星系团中最亮的星系,与我们银河系的亮度不相上下。该星系由于宇宙膨胀而引起的离开太阳的退行速度为每秒1766千米。而位于其附近的NGC1400星系的退行速度只有每秒549千米,是前者的1/3。过去认为NGC1400是NGC1407的一个前景星系,但用麻省理工学院约翰·汤里的方法(较近星系看上去     

宇宙学的暗物质疑难

宇宙学的所谓低温暗物质理论把粒子物理学、宇宙学以及星系和星系团形成的理论结合起来成为一个精巧的整体。而今这个令人难忘的理论何以会陷入困境?     

星系团的发现和星系团及成员星系的物理性质

星系团是宇宙中质量最大的引力束缚天体,是宇宙大尺度结构中密度相对比较高的节点.因此星系团是研究宇宙学的重要示踪天体之一,也提供了星系多样的寄居环境.基于公开的巡天数据,我们证认出了数目最多的星系团,显著扩展了星系团发现的红移范围.根据星系团在宇宙空间中的成团性,探测到了显著的宇宙重子声波振荡信号.通过查看星系团图像,发现许多星系团作为强引力透镜使背景星系呈现巨大的光弧.根据星系团中成员星系的分布,我们计算了最多星系团的动力学状态参数,并发现只有约1/3的星系团处于弛豫状态.我们还发现,在越弛豫的星系团中,最亮团星系的光学光度越大,其他亮成员星系越少.随着国际上在多个波段更深巡天数据的发布,星系团的研究将会有多方面的突破.     

暗物质的天文证据

<正>此时"悟空"号卫星正在天上一刻不停地找寻暗物质,但是在20世纪的很长一段时间里,人们并没有证据证明暗物质的存在。常言道,"眼见为实",那么,科学家凭什么认为不可见的暗物质是存在的呢?称量天体系统的质量测量遥远天体的质量是一件不容易的事。19世纪以来,天文学家们一直在做着这方面的尝试,所基于的原理是牛顿万有引力定律和牛顿第二定律,即通过观察天体的运动来推断天体的质量。     

大尺度有效引力理论与洛仑兹破缺

微波背景辐射的多普勒效应可能意味着在宇宙学尺度上洛仑兹boost不变性的破缺,假定洛仑兹对称性从星系尺度上开始部分破缺,以非常狭义相对理论模型的对称群为例,构造了其相应的规范理论作为大尺度上的有效引力理论,发现这些洛仑兹破缺的引力模型共同特征是即使物质源为普通标量物质时,时空挠率和contortion也一般不会为零,而广义相对论在这种情况下给出零挠率和零contortion,时空联络为Levi-Civita联络.非零contortion的存在贡献一个等效的能量动量张量分布,在星系乃至星系团尺度上的静态解中扮演暗物质角色,在宇宙学尺度上的类Roberson-Walker膨胀解中扮演暗物质与暗能量的角色,很可能会贡献一部分暗物质、暗能量效应.以Sim(2)为例,特别研究了其规范理论的自洽性,包括Maurer-Cartan方程在Sim(2)上的闭合性和以及由Jacobi恒等式在Sim(2)上导致的第一和第二Bianchi恒等式.     

宇宙中的巨洞和宇宙的密度扰动波

近年来,从星系和星系团在空间中的三维分布的研究中,人们发现在一些超星系团的附近或超星系团之间有一些大尺度的空间区域,在这些区域中现在能观测到的星系非常少。这些缺少星系的空间区域,现在称为宇宙中的“巨洞”(big hole或void)。至今已发现的巨洞的尺度和超星系团(二级星系团)的尺度有相同的量级,由观测资料所估计的最大直径达到几亿光年。     

基于多波段观测的星系循环内流直接观测

<正>在目前基于暗物质的星系演化理论框架下,星系形成在引力自束缚的暗物质系统——暗物质晕中.在引力作用下,暗物质晕相互并合形成今天观测到的“宇宙网”大尺度结构.一般来说,暗物质晕的物理尺度是星系尺度的几十到上百倍.在星系与暗物质晕之间弥散有大量以氢元素和氦元素为主的重子物质,其中氢元素占比约为74%,氦元素占比约为25%,剩下的重元素占比约为1%.     

多产的凤凰星系团

星系团是宇宙间的庞然大物,是几百至几千个星系的集合体.诸多星系被引力束缚在一起.然而,星系团也是一个宇宙之谜.炽热的气体流入这些星系团的中心,结果却在这一过程中冷却下来,这种环境应该能够创造一个多产的新恒星诞生地.但是,天文学家们发现的情况大都不是这样的.现在,科学家们发现了一个距离地球57亿光年的星系团,其中心异常活跃,正在快速地形成恒星.天文学家们称,这个特别的星系团如此多产的原因是:星系团中心气体的冷却没有被中心黑洞释放的高温射流所抵消.