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.     

解读宇宙的起源——2006年诺贝尔物理学奖简介

2006年度诺贝尔物理奖授予了在宇宙学研究领域取得杰出成果的美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特。他们发现的宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性强烈地支持了大爆炸宇宙学模型并开启了“精确宇宙学”时代的大门。COBE之后宇宙学研究取得了一系列重大的进展。近年WMAP、SDSS等天文观测更加坚实有力的支持了大爆炸宇宙学模型,并对物理学提出了一些重大的、尖锐的挑战,诸如什么是暗物质?暗能量的物理本质是什么?     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。暗物质理论的提出及发展1933年,瑞士天文学家弗里茨·兹     

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.     

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.     

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.     

宇宙如何起源?

热大爆炸宇宙学取得巨大的成功,它所预言的哈勃定律、宇宙微波背景辐射和轻元素丰度等都得到了观测的广泛证实.但是热大爆炸宇宙理论自身有着无法解释的疑难问题,比如宇宙空间平坦性问题、视界问题等.为了解决热大爆炸宇宙学的诸多疑难问题,一个最简单经济的方案是在宇宙热大爆炸前发生一段由真空能推动的宇宙近指数膨胀的宇宙演化过程,即宇宙暴胀.事实上,发生在宇宙极早期的暴胀过程不仅可以合理地解释所有这些热大爆炸宇宙学中的疑难问题,而且起源于暴胀期间的量子扰动自然地提供了宇宙晚期结构形成所需的原初密度涨落.反过来,探测宇宙微波背景辐射微小的各向异性和宇宙结构成了探索早期宇宙暴胀物理过程的关键手段.尽管现有的大量宇宙学观测强有力地支持暴胀宇宙学,然而当前在宇宙大尺度上似乎依然存在一些偏离标准暴胀宇宙学预言的迹象,这些迹象可能暗示宇宙在极早期暴胀前还经历了一段收缩过程.     

从夸克到宇宙

物理学家已经建立了一种描述我们周围普通物质特征的粒子和力的标准模型.同时,天体物理学和宇宙学空间观测已经揭示出,我们对宇宙的图像的认识是不完备的,宇宙大约96%的份额不是由普通物质构成的,而是由其他一些神秘的东西--暗物质和暗能量--构成的.我们已经认识到,实际上我们并不知道宇宙的大部分是由什么构成的.认识这种未知的"新"宇宙有赖于研究物质最基本单元及其性质的粒子物理学的突破性发现.     

闭合宇宙的新观测证据与宇宙学的危机

<正>宇宙学的研究已经进入到一个精确宇宙学时代.普朗克卫星以前所未有的精度精确测量了宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background, CMB)上的微小温度涨落和极化,这些测量结果为宇宙学参数提供了强有力的限制[1].总体来说,普朗克观测结果明确支持一个仅含有6个基本宇宙学参数的宇宙学模型,即所谓的宇宙学常数冷暗物质(Λ colddarkmatter,CDM)模型.目前,空间平直的CDM模型被普遍视为一个宇宙学的标准模型,因为该模型的预言与几乎所有的宇宙学观测都符合得很好.但近年来宇宙学也遭遇到非常严峻的挑战.最主要     

宇宙暴胀的根源

标准宇宙学模型认为宇宙起源于大爆炸,并且经历了暴胀阶段。然而,为什么早期宇宙会暴胀,存在不同的理论假设。一个理想的模型是宇宙起源于真空,并演化为今天的宇宙。通过求解量子宇宙学方程,并使用德布罗意-玻姆量子轨道理论,可以获得真空暴胀解。随着微波背景辐射观测精度的提高,这一模型的正确性有望获得实验检验。     

不断走向精确的宇宙学

通过澄清宇宙的年龄及其组成 ,天文学家们已经叩开了精确宇宙学时代的大门。现在 ,他们正为揭开暗物质和暗能量的神秘面纱而努力———     

宇宙加速膨胀的射电直接测量研究获得重要进展

<正>最近,北京师范大学天文系张同杰宇宙学团队基于宇宙学中Sandage-Loeb效应也称Redshift Drift原理,提出了第一个宇宙加速膨胀的射电直接测量方法.传统方法是通过距离观测并且基于宇宙学哥白尼原理和爱因斯坦方程来测量宇宙加速膨胀,这是一种间接方法.新提出的方法是一种与宇宙学模型无关的直接测量方法.该研究工作于2014年7月25日在Physical Review Letters杂志上发表.20世纪20年代美国天文学家Hubble发现宇宙在膨胀,并根据当时少量的观测数据总结得出著名的Hubble定律,因此爱因斯坦也为自己构造了一个静止的宇宙而后悔不已.根据Hubble定律,通过观测河外星系的红移可以测量星系的退行速度,基本相当于宇宙整体膨胀的速度.既然宇宙在膨胀,那么宇宙膨胀是加速的还是减速的,如何测量宇     

宇宙学常数Λ≠0时复合时期的电离率和最后散射面

非零宇宙学常数在Ｈｕｂｂｌｅ常数取值较大时对大爆炸宇宙学模型具有现实意义,计算了宇宙学常数不为零时复合时期电离率的演化和最后散射面的位置,所得结果可应用于计算宇宙微波背景辐射的涨落。     

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     

挑战物理学的暗宇宙--现代宇宙学世纪回眸

继“宇宙加速膨胀”当选为美国《科学》周刊1998年最大爆炸性新闻之后，“暗宇宙”又摘取了该刊2003年十大科学成就的桂冠。为什么说宇宙是“黑暗的”?什么是暗物质和暗能量?它与人们熟知的灿烂星河有何关系?人们是怎么知道它们的存在的?要弄清这些问题，需回顾20世纪初以来近百年的现代宇宙学史。