宇宙中的第一批恒星

一项新研究发现:宇宙中形成的第一批恒星不像当今的恒星这样发出光亮,它们可能是不可见的"暗恒星",暗物质粒子的互相残杀为之供应能量。研究人员称,那些恒星是极其庞大的。暗物质是不可见的,构成了宇宙中的大部分物质。科学家们认为,暗物质在早期宇宙的演化中起了一定的作用,但是并没有在第一批恒星的形成中起到促进作用。     

中国暗物质实验(CDEX)合作组研究进展

暗物质是当今物理学最基本也是最吸引人的前沿研究课题之一,对认识宇宙起源、演变和结构以及物质的本源等基本科学问题具有十分重要的意义.暗物质的理论研究和实验探测经过几十年的积累和发展已经取得了长远的进步.实验上有多种方法可以进行暗物质粒子的探测,直接探测是一种非常重要的手段.本文评述了暗物质直接探测方法的原理和当今国际国内采用直接探测法的不同实验的研究现状,着重介绍了中国暗物质实验(China Dark matter Experiment,CDEX)合作组的研究历程、探测技术和数据分析方法、以及研究取得的重要成果和未来规划.     

宇宙幽灵——暗能量

奇特的暗能量 或许很多人都知道暗能量,虽然它是20世纪末的产物,但它的神奇性足以比得上"外星人存在"这个话题,以至于许多科学爱好者都知道"暗能量"这个宇宙学概念.它虽然看不见摸不着,如同幽灵一般,但是通过天文学家的观测,我们会在理论研究中发现它们的存在. 在科学研究中,宇宙成分被分为3大块.我们平时所见到的物质,像气体、固体、液体等可以直接观察到的东西,其质量仅仅占整个宇宙的4％,暗能量占据74％,暗物质占据22％.目前,人类对暗物质、暗能量的研究还只是皮毛,原因在于暗物质存在于人类已知的物质之外,不与光子产生任何反应,更不与人类所已知的物质发生任何碰撞.     

什么是暗物质?

虽然暗物质的存在已经得到了大量的天文观测的支持,但暗物质的属性是什么仍然是个未解之谜.近期暗物质探测的实验和理论研究均取得了长足的进展.本文从暗物质问题的提出讲起,介绍了暗物质的基本特点和可能的粒子物理候选者,之后详细介绍了暗物质研究的最新进展.(1)暗物质研究的早期历史.从星系旋转曲线、引力透镜、微波背景辐射等方面介绍了暗物质的观测证据,特别是暗物质丰度起源的标准热退耦理论机制和典型的暗物质粒子候选者,如弱相互作用有质量粒子等.(2)暗物质粒子的实验探测的基本原理和手段,如地下直接探测和空间间接探测等.重点综述了近期实验研究的进展.在地下直接探测方面综述了10 Ge V以下轻质量暗物质的探测实验:Super CDMS(super cryogenic dark matter search),CDEX(China dark matter experiment)等,以及大质量暗物质探测中的液氩探测器Dark Side等.(3)暗物质未来的碰撞方向性探测实验,如DRIFT(directional recoil identification from tracks),MIMAC(MIcro-tpc MAtrix of Chambers)等.在空间间接探测方面介绍暗物质湮灭到宇宙线粒子中涉及到的宇宙线粒子产生和传播的基本理论.(4)已有的实验,如Fermi-LAT(Fermi large area telescope)和AMS(Alpha magnetic spectrometer)-02在高能宇宙线电子和核子方面已经取得的成果,特别是近期DAMPE(dark matter particle explorer)卫星实验的首个结果中看到的正负电子总流强中的新现象和疑似反常现象以及AMS-02的反质子结果对暗物质搜寻的影响.展望了未来在反核子,如反氘和反氦方面可能取得的结果及其对暗物质研究的重要性.     

物理学中11个最大未解问题

美国国家研究委员会日前发布研究报告 ,列出了在新世纪需要解答的 1 1个与宇宙有关的难题 ,并同时建议美国政府研究机构加强协调 ,集中资源为这些难题寻找答案。这份报告由 1 9名权威物理学家和天文学家联合执笔 ,认为暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重。“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”在 1 1个大问题中分列第一和第二位。据认为 ,暗能量的性质将决定宇宙的命运。美国国家研究委员会的报告建议 ,美国能源部和宇航局等机构应该进行跨部门合作 ,研制新一代广视野天文望远镜 ,以帮助科学家们探索神秘的暗物质和暗能量 ,并进而获取有关物质、空间和时间的基本信息。     

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.     

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.     

宇宙中的第一批恒星

一项新研究发现:宇宙中形成的第一批恒星不像当今的恒星这样发出光亮,它们可能是不可见的"暗恒星",暗物质粒子的互相残杀为之供应能量.研究人员称,那些恒星是极其庞大的.     

研究暗物质有什么用

<正>当人们已经习惯使用暗物质和暗能量这些类似于宇宙"幽灵"的名词来描述宇宙的时候,却仍无法寻找到这些无处不在的黑暗"幽灵"。我们花费了这么大的精力寻觅暗物质,而且很多的尝试都是基于并没有很大把握的猜测,这么做到底值不值?还有,探测到了暗物质能有什     

暗能量和加速膨胀的宇宙

1998年发现的宇宙加速膨胀是当代科学中最重大的课题之一.理论上,宇宙的加速膨胀可能意味着当前宇宙中约三分之二的能量密度是由一种新的能量组分,即暗能量所提供的也可能意味着爱因斯坦提出的广义相对论在宇宙学尺度上需要修正.暗能量和修正引力这两种完全不同的物理机制可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但却预言不同的结构形成过程.因此,我们可以通过观测宇宙的大尺度结构形成和演化来区分这两种不同的物理机制,揭示宇宙加速膨胀背后的物理规律.宇宙大尺度星系巡天是研究宇宙加速膨胀机制的重要探针之一.基于星系巡天,我们可以通过测量重子声波振荡(baryonic acoustic oscillations,BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions,RSD)两种特殊的星系成团属性,同时测量宇宙的背景膨胀和结构形成历史,进而分别开展暗能量性质以及引力研究.SDSS(Sloan Digital Sky Survey)三期的BOSS(Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)巡天是近期完成的世界最大规模的星系巡天.通过对10000平方度左右天区的观测,BOSS获取了近一百万条星系光谱.基于BOSS的观测,我们对暗能量和引力性质开展了深入研究,并发现了暗能量的动力学迹象.目前正在巡天的e BOSS(extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)项目以及后续的DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)和PFS(Prime Focus Spectrograph)等大型巡天将在更高的红移、以更高的精度测量BAO和RSD,这将为宇宙加速膨胀机制的研究提供关键的观测支持.     

光子、热力学与膨胀宇宙

基于宇宙学观测以及含宇宙常数的广义相对论场方程建立的标准宇宙模型,存在着违背物理学基本规律的疑难,提示我们需要仔细审视宇宙动力学的物理基础.例如,同实物退耦后的背景黑体辐射光子数目不再随宇宙膨胀而变化,但宇宙学红移效应导致辐射温度反比于宇宙尺度下降,则背景辐射总能量也反比于宇宙尺度而不断减少,违背了热力学第一定律,损失的宇宙背景辐射能量到哪里去了?又如,宇宙常数对应的暗能量密度不随时间变化,膨胀宇宙中物质不断被创生,总能量随宇宙膨胀趋于无穷.在宇宙学中坚持能量守恒,需要限制暗物质和暗能量的基本物理性质,其中作为零质量玻色子的光子扮演着重要角色.基于爱因斯坦场方程同时又不放弃能量守恒定律的宇宙学模型,给出了和标准模型完全不同因而可以被观测证实或证伪的演化图景:暗物质同暗能量平衡状态下的匀速膨胀才是宇宙的常态,而减速或加速膨胀只是宇宙介质相变导致的瞬态过程.近期开始出现的高精度宇宙学观测结果对标准模型提出了挑战,而有利于能量守恒宇宙模型的预期.正在进行和计划中的宇宙学观测将最终判定2类模型,并且推动基本物理的发展.     

21 cm宇宙学的探索——天籁与鸿蒙实验

自宇宙大爆炸结束,中性氢广泛分布于宇宙,为研究从宇宙黑暗时代、宇宙黎明与再电离时期,直到再电离之后的宇宙历史、精密测量物质分布提供了重要探针.但是迄今为止,由于灵敏度的限制,中性氢观测还主要局限于近邻宇宙.要进行更高红移的观测,必须在比其强几个数量级的前景中将21 cm信号提取出来,这对观测设备的设计和数据处理分析都提出了极高的要求.近年来,国际上出现了很多针对21 cm的观测实验, 21 cm宇宙学正处在突破的前夜.我国也开展了21 cm宇宙学的探索性实验.本文介绍了暗能量射电探测关键技术实验(天籁实验阵列)和绕月超长波天文观测阵列(鸿蒙实验)的基本情况和研究进展.天籁实验阵列位于新疆巴里坤县红柳峡观测站,是用于试验中红移的大尺度结构21 cm强度映射的关键技术.鸿蒙实验则拟发射一个线形编队的卫星阵列,环绕月球飞行,进行全天频谱和干涉成像观测.这将打开一个新的观测窗口,并探索宇宙黑暗时代和宇宙黎明.     

从无穷小到无穷大的发现

近年来,科学家们已经展开了对粒子物理、天体物理和宇宙学交叉领域的探索,包括潜伏在山洞中探测致星系成团的暗物质粒子;把探测器置于南极冰面和地中海下探测来自外层空间的中微子;建造γ射线望远镜以便打开宇宙的新视角;追踪超新星爆发以解读促使宇宙加速膨胀的暗能量.     

LAMOST与暗能量

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)通过天文观测对宇宙学参数进行的精确测量,强有力地支持了一个以暗能量、暗物质为主的暴胀宇宙模型.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成就.这一成果被美国<科学>杂志选为2003年度世界十大科技进展,引起了科学界和社会各界的广泛关注.     

星系红移巡天宇宙学——探索暗能量

宇宙时空的加速膨胀是20世纪自然科学最伟大的发现之一,探索其背后的物理机制是当前物理学和天文学的关键科学任务.在此研究领域,亟待解决的问题包括:(1)如何从海量观测数据中提取暗能量相关的核心信息?(2)暗能量是否具有动力学性质?(3)暗能量的本质是什么?暗能量研究的主要方法是联合多种探测手段,通过精准测量宇宙的膨胀率和结构形成来获取暗能量性质.大型星系红移巡天为暗能量研究提供了关键的数据支持.我们从巡天样本中提取重子声波振荡(baryon acoustic oscillations, BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions, RSD)等重要的宇宙学探针,分别用于测量宇宙的膨胀率和结构增长率,开展暗能量研究.大型巡天项目斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)已成功获取了百万量级的高质量星系光谱,测绘了迄今为止最大的宇宙三维图像,并将宇宙距离测量精度提高到1%,在高精度暗能量检验中发挥至关重要的作用.本文主要介绍过去10年内国际上最大的星系红移巡天项目——SDSS三期的重子振荡光谱巡天(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, BOSS,2009～2014年)和四期的拓展重子振荡光谱巡天(extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, eBOSS,2014～2019年),以及我们依托BOSS和e BOSS巡天开展暗能量研究方面的最新进展.     

暗信息

作者在讨论暗物质和暗能量的基础上提出了暗信息(Dark Information)假说.狭义的暗信息概念为:在宇宙中可能存在着与暗物质和暗能量相对应的暗信息.广义的暗信息(Id)概念为:Id=Itot-I,其中Itot是某系统中各种类潜在信息的非线性全集合,I是该系统内在某一条件下可提取到的信息.作者进一步讨论了复杂系统不可避免含有暗信息、暗信息是不确定性存在的必要条件等论点,并推测海森伯的测不准原理的基础是由于存在暗信息.作者还提出"生命离不开暗信息"的观点,认为Id/Itot可能成为衡量生命系统可变异性而I/Itot(1-Id/Itot)可能成为衡量生命系统有序性的新尺度.     

揭秘暗物质

在宇宙学中,暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质.据科学家推测,暗物质是从137亿年前宇宙大爆炸过程中形成的.我们目前所认知的部分大概只占宇宙总资源的4％,而暗物质占据宇宙的23％,还有73％是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量.     

首张暗物质图像绘制出炉

暗物质是一种理论上存在并且引起争议的物质，无法被地球上的望远镜观测到。一些科学家认为，暗物质在整个宇宙质量中的比重达到四分之三。目前，科学家利用时空导致的“波纹”探测暗物质，并首次绘制出这种物质的图像。     

中微子及其猜想

中微子目前已被认为是暗物质中的一种,暗物质与暗能量被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它们代表了宇宙中90%以上的物质含量,而我们可以看到的只占宇宙总物质量的10%不到。这是宇宙中一些不为人知的秘密……     

宇宙的黑暗面

<正>通过各种互补的宇宙学研究方法,暗物质和暗能量的存在终于被接受。随着希格斯玻色子的发现,有人可能会认为,我们终于对周围的物质世界有了一个完整的认识,而且解开了粒子物理学的所有奥秘。恰恰相反,事实远非如此。目前被称为"标准模型"的宇宙理论模型,仅仅只解释了宇宙总含量的5%。一些人可能听说过暗物质,即占了宇宙总物质量27%的不可见的神秘物质。而可见物质(包括你和我,以及地球、恒星和