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。     

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.     

暗物质研究的进展兼谈科学中的整体统一方法

本文介绍了关于暗物质的基本知识和近年来的研究进展,包括暗物质的证据,冷暗物质模型, 弱相互作用暗物质的探测,关于暗物质晕的研究,其它天体物理限制等。当前暗物质的研究方法与传统的分析、还原方法有所不同,或可作为所谓“整体统一”研究方法的一个例子,这对其它领域的研究也有一定的借鉴价值。     

带电荷的暗物质候选者

多年来,天体物理学家们认为电中性的弱作用大质量粒子（weakly interacting massive particles,WIMPs）是最信得过的暗物质候选者,它们只通过引力与普通物质起作用。对于带有电荷的大质量粒子（charged massive particles,CAHAPs）也曾有人建议将它们列为暗物质候选者,但在位于地下废矿井内的一些粒子探测装置未探测到这类暗物质粒子的任何征兆后,十多年前,科学家们就中止了对它们的研究。     

寻找暗物质的新线索

正在宇宙学中,暗物质是指无法通过电磁波观测进行研究,即不与电磁力发生作用的物质。据推测,整个宇宙的构成中约有三分之一为暗物质。对暗物质的探测已经成为粒子物理学和天体物理领域最热门的方向之一,但科学家一直苦于无法找到暗物质存在的确定证据。现     

追寻暗物质

追寻暗物质浩瀚的银河系只占宇宙很小的一部分，半个多世纪以来，天文学家通过大量事实证明；宇宙中至少９０％的物质不发光。这些物质有强大的引力，而且看不见，至今让人们感到很神秘。目前，一些日本的天文学家认为暗物质有和可见天体同样的性质，即由小团块凝聚成大的...     

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.     

暗物质—世纪之谜

一个国际天文小组新近发表报告说,他们观测到了一个名为 MACHOS 的新天体,这是由人类肉眼看不见的暗物质组成的暗恒星。迄今为止,这是人类找到的第一个能证明暗物质存在的证据,难怪它格外引人瞩目。美国航天局戈达德航天中心的科学家史蒂夫·马雷恩发表评论说:"这一发现开创了天文学的新篇章,因为我们都了解,当今世界的最大之谜是暗物质究竟是什么?"暗物质!暗物质!它是怎么被提出来的?究竟神秘到什么程度?这一连串的疑问使我们不得不回     

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。     

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.     

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.     

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。     

科学之窗

科学之窗科学家是如何发现暗物质的暗物质是人们看不见的物质。虽然看不见，但科学家认为它确实存在，而且其质量占宇宙所有质量的大约９０％．这是科学家根据万有引力自然定律而确认的。由于暗物质不产生光线，由正常的技术手段搞不清到底是什么东西．上个月，两个太空科...     

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?     

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.     

银河系有多重?

正一个国际天文学家团队通过把哈勃(Hubble)和盖亚(Gaia)太空望远镜的观测数据结合起来,对银河系质量进行了迄今为止最精确的估算。从恒星、行星和小行星,到黑洞和不可见的暗物质,我们的银河系充满了很多物质。但是,天文学家对银河系所有这些天体物质的总质量,还没有达成共识。过去,科学家对银河系质量的估算值,小到5 000亿太阳质量,大到2万～3万亿太阳质量(1太阳质量等于我们的太阳的质量)。这中间的巨大不确定性与天文学家对我们银河系     

暗物质立体图

2007年1月8日，天文学家宣布，根据“哈勃”等太空和地面望远镜的观测结果，已经成功绘制出了宇宙暗物质的三维立体分布图。这是首次大规模确定暗物质的分布范围。这一分布图表明，神秘的暗物质是浩瀚宇宙的“脚手架”，正是在它的基础上“组装”形成了群星及星系。暗物质是不可见的隐形物质，它既不发出、也不反射光线，但是却组成了宇宙的绝大部分。     

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.     

维拉·鲁宾

<正>(1928—2016)2016年12月25日晚,美国华盛顿特区著名的天体物理学家、国家科学奖得主维拉·鲁宾(Vera Rubin)在普林斯顿去世,享年88岁。鲁宾证实了暗物质的存在,并证明这种物质占了宇宙总质量的90%。她是华盛顿卡内基研究所地球磁体系的退休天文学研究者。     

下落不明的质量

问题的提出研究天体的物理性质,必须确定其质量。有两种测量天体质量的方法,一种是,如果一个天体在另一个大质量天体的引力场中作圆周运动,那么大质量天体的质量