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.     

宇宙大爆炸核合成

何以宇宙主要由看不见的暗物质组成而又被暗能量所推开?问题的线索在于大爆炸后瞬间普通物质的形成--最近几年来天文学家发现,我们熟悉的所有普通物质只是宇宙中的微量组分,而宇宙主要的组成是未知形式的"暗物质"和甚至更充裕、更神秘的"暗能量"。因此看来我们连这一宇宙混合物的主要组成都还不了解。 然而,普通物质却对研究宇宙其余的组成部分出奇地有用。去年美国航空航天局(NASA)的WMAP卫星已提供了宇宙中     

修正牛顿定律?

暗物质的提出是为了解释星系动力学,而对牛顿引力理论的修正或许能提供更好地解释-- 宇宙似乎是由不可见的成分所主导,天文学家将此称之为暗物质和暗能量.存在暗物质的天文学证据已经很明显:在河外星系中,天体的旋转速度超过了用可见恒星和气体所能解释的速度.     

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.     

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.     

中国暗物质与暗能量研究5～10年展望

暗物质和暗能量的研究是当前基础物理研究最前沿的方向之一,突破性的重要进展将极大促进我们对物质世界的微观结构以及宇宙演化的理解.国际上对暗物质及暗能量的研究都极为重视,美国和欧洲多国都为其进行了详细周密的规划,开展了一系列的相关项目投资.国内也将这方面的研究纳入了中长期规划,并认为其很可能在不久的将来实现革命性的突破.在过去的几年内,我国在暗物质直接探测方面实现了长足的进步,探测结果的灵敏度达到世界先进水平.在2015年7月的香山科学会议上,一批从事这方面科研以及一批感兴趣的科学家讨论了未来5~10年我国在暗物质暗能量研究方面可能的规划和布局,建议依托锦屏地下实验室进行更大规模的暗物质直接探测实验,并开展卫星暗物质间接探测实验,力争在暗物质研究方面达到世界领先水平.同时建议在西藏阿里地区进行宇宙微波背景辐射观测,并通过空间站和地面望远镜进行深空巡天观测,从而实现对暗能量的深入研究.     

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.     

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.     

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.     

FASER实验:简介与研究进展

FASER(ForwArd Search ExpeRiment)是一个位于大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)上的前向粒子探测实验. LHC质子对撞产生的质量轻、能量高的粒子往往会沿着束流方向飞行,并逃离传统粒子探测器的覆盖区域.对这些前向粒子的探测和研究是传统探测器实验很好的补充. FASER探测器(包括其专门用于探测中微子的子探测器FASERν)位于ATLAS对撞点处束流切线方向下游480 m,物理目标包括可能的暗物质候选者和对撞机产生的中微子. 2023年3月, FASER首次直接探测到约153个对撞机产生的高能中微子,信号显著度为16σ.随后, FASER合作组又公布了其暗光子搜寻结果,未发现显著信号,但给出了质量在17～70 MeV范围内、?在2×10^–5～1×10^–4范围内的暗光子可能性的世界最好限制.正在计划中的前向物理设施(Forward Physical Facility, FPF)或将成为未来HL-LHC时代前向物理研究的新阵地.本文将介绍FASER实验装置及其物理目标,并简要介绍FASE...