穿越星际的信使

<正>宇宙射线为来自太空的高能带电粒子,于1912年首次由Hess博士发现.尽管已经被发现了超过100年,宇宙射线的产生机制及来源至今仍未被确认,这成为超过一个世纪以来高能天体物理领域的最大谜题之一.研究宇宙射线起源的一个难点是,宇宙射线在宇宙中传播时,受到银河系内或银河系外磁场作用发生偏转,因而从地球上观测     

暗物质研究的曙光

几十年前,暗物质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     

量子宇宙物理前沿——21世纪基础科学革命的突破口

正由引力效应发现的暗物质和暗能量以及与时空结构相关的引力本质和宇宙起源被认为是21世纪最重大的、悬而未决的物理问题,引力波的发现为理解这些科学难题打开了一扇新的窗口.2016年应邀在中国科学院学部年会上做"引力波和引力本质"的大会报告后,随即受到《科学通报》主编高福院士的邀请,期望从学科发展的整体考虑,由《科学通报》     

奇异矮星系:暗物质迷失?

<正>宇宙的起源是什么?其主要成分是什么?宇宙是如何演化到今天丰富的结构的?这都是现代宇宙学需要回答的问题.最近几十年时间里,现代宇宙学取得了令人瞩目的成就,奠定了标准宇宙学模型的基础.在标准宇宙学模型下,宇宙主要由暗物质和暗能量组成,我们熟悉的重子物质只占宇宙总比例的4.7%^[1].这一标准模型成功地解释了跨越宇宙学时标和尺度的众多观测现象,包括红移1000左右的宇宙微波背景观测、星系的大尺度成团性、弱引力透镜测量的宇宙剪切,以及由赖曼-阿尔法森林示踪的小尺度功率谱等.     

宇宙线起源中物理学前沿问题

宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的.此后,人们在宇宙线的研究中发现了众多的基本粒子及其相互作用规律,中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验.迄今为止,人们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题,从中诞生了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学.目前,人们已经发现了为数众多的电子加速源,但作为宇宙线成分中最为主要的核子,其起源问题依然没有解决.精确测量宇宙线核子的成分和能谱,观测和研究高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制,有助于解决宇宙线的起源问题.此外,这些研究也是间接探测暗物质粒子,研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段.     

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。     

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.     

宇宙的构成和哥白尼原理

构成宇宙的物质的绝大部分居然与人们所熟知的通常物质不同,仅仅只有大约4%是通常的原子物质.新近宇宙学观测认为,70%左右的宇宙能量是不结团并具有负压力的,这些占据统治地位的神秘的暗能量,使得宇宙在加速膨胀.暗物质大约占到了宇宙总能量的26%,它的本质并未了解清楚,人们猜测它们由在早期宇宙中形成的粒子所组成.宇宙微波背景辐射的贡献只占了0.01%,然而它能提供宇宙时空结构、宇宙早期历史甚至于最终命运的信息.我们宇宙的构成是哥白尼原理另一种形式的体现.     

中微子质量起源与宇宙的原初反物质消失之谜

<正>粒子物理学的标准模型建立于20世纪60～70年代,它在随后的半个多世纪经受住了无数次科学实验的检验,成为人类描述与理解各种强、弱和电磁相互作用现象最成功的理论工具.但是该模型也存在一些缺陷,比如它刻意回避了中微子质量及其起源的问题,也无法解答为什么可观测宇宙中不存在原初反物质但却存在大量暗物质的问题.在宇宙大爆炸之初所产生的反物质何以随着宇宙的膨胀和冷却而神秘地消失,以及其背后的动力学是否与中微子的质量起源机制存在某种关联,这是当今粒子物理学和宇宙学界普遍关心并深入探索的重大课题.理论研究表明,解释中微子质量起源之谜的"跷跷板"(seesaw)机制^[1]与解释宇宙原初反物质消失之谜的轻子生成(leptogenesis)机制^[2]可能是问题背后的答案.而连接这两个机制的桥梁就是超重的"惰性"马约拉纳(Majorana)中微子^[3]:它们在宇宙早期神秘地产生,与已知的"活性"中微子通过极其微弱的汤川(Yukawa)相互作用建立关联;它们的衰变则导致了宇宙的轻子与反轻子不对称,后者部分转化成宇宙的重子与反重子...     

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。     

借我一双“火眼金睛”

正暗物质,这个看不见也摸不着的宇宙中"缺失质量"至今无法被直接证实,对于这片"物理学天空中的乌云",国际科学界一直执着探寻。英国《自然》杂志2017年11月29日在线发表报告说,基于中国暗物质粒子探测卫星"悟空"收集的数据,中国科研团队获取了目前国际上在万亿电子伏特能段精度最高的电子宇宙射线探测结果,有助于进一步捕捉暗物质存在的"蛛丝马     

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%.     

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     

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.     

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.     

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。     

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.     

物理学家对空间科学的新探索

物理学家对空间科学的新探索ＧａｒｙＴａｕｂｅ著朱鋐雄译近年来，少数造诣很深的粒子物理学家正在天体物理学上开始从事第二个研究生涯。这些实验探索有来自宇宙的信号，包括暗物质粒子，超高能量宇宙射线及来自太阳和超新星的中微子。当实验物理学家利用他们的专长、他...     

扭曲的星系尘埃盘指示暗物质的分布

宇宙中90%以上的物质是不可见的,所以天文学家难以描绘它们的位置。理论天文学家们曾试图模拟这些暗物质的分布,但他们的模型没有给出最终的结果。一些模型提出暗物质大致呈球状分布在星系的周围,而其他模型则指出暗物质是扁平的。孰是孰非,观测天文学家又难以检验,因为暗物质是看不见的。为此,天文学家不得不寻找暗物质分布的间接指示物。     

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.