宇宙中的暗物质和暗能量

宇宙中的暗物质和暗能量

课程论文

(科研训练、毕业设计)

题 目：宇宙中的暗物质和暗能量

姓 名：xxxxxxx 学 院：化学化工学院

系：化学 专 业：化学 年 级：大一

学 号：xxxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxx

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宇宙中的暗物质和暗能量

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摘 要 文章对暗物质粒子的候选者和宇宙中暗能量的研究现状作一简单介绍.

关键词 暗物质,暗能量,粒子宇宙学

正 文 2003 年,W ilkinson 微波背景各向异性探测器(WMAP) 、Sloan数字巡天( SDSS)和最近的超新星( SN)等天文观测以其对宇宙学参数的精确测量,进一步强有力地支持了大爆炸宇宙学模型. 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的成就. WMAP的结果告诉我们,宇宙中普通物质只占4% , 23%的物质为非重子暗物质, 73%是暗能量, SDSS也给出类似的结果. 从物质基本结构的观点出发,普通的物质,如树木、桌子以及我们人类本身,是由分子、原子构成. 然而分子、原子不是最基本的,目前已知的基本粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的规范玻色子. 什么是暗物质呢? 暗物质是不发光的,但是它有显著的引力效应. 比如,对于一个星系考虑距其中心远处的旋转速度,如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话,由牛顿引力定律可知,距离中心越远,速度应该越小. 可是天文观测事实不是这样的,这就说明当中有看不见的暗物质. 目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质. 中微子是一种暗物质粒子, 但WMAP和SDSS的结果说明,它的质量应当非常小,在暗物质中只能占微小的比例,绝大部分应是所谓的冷暗物质. 它们究竟是什么目前还不清楚. 理论物理学家猜测,至少有两个可能性,一个是轴子( ax2ion) ,另一个是中性伴随子( neutralino). 另外还有额外维空间理论中最轻的KK ( Kaluza - Klein)粒子.近年来,为了解决冷暗物质在小尺度上可能的疑难而提出了相互作用暗物质[ 1 ] 、温暗物质等. 轴子是由罗伯特·派切(Roberto Peccei) 和海伦·奎因(Helen Quinn)为解决强相互作用中的电荷共轭-宇称(CP)破坏问题而引进的. 中性伴随子是超对称理论中的最轻的超对称伴随子,它是稳定的,在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来. 另外,这种暗物质粒子也可由一些超重粒子或宇宙相变过程产生的一些拓扑缺陷(如宇宙弦)衰变而产生[ 2 ] .目前世界各国科学家,例如中国和意大利科学

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家合作组DAMA,正在进行着各种加速器和非加速器实验,试图找到这种暗物质粒子.

最近,人们还探讨了Gravitino[ 3 ] , Quintessino[ 4 ]等一类超弱相互作用的暗物质模型. 特别是后者理论,统一地描述了暗物质和暗能量. 在这类模型中,一个重要特点是预言了一些亚稳超对称粒子. 这些粒子有可能在加速器和非加速器物理实验,如L3 +C上得到检验.

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果. 支持暗能量的主要证据有两个:一是对遥远的超新星所进行的观测表明,宇宙不仅在膨胀,而且与想象中的不一样,在加速膨胀. 在标准宇宙模型框架下,爱因斯坦引力场方程给出

a¨/ a = - 4πG (ρ +3p) /3 (其中a是宇宙标度因子, G为引力常数, p和 ρ分别为宇宙中物质的压强和能量密度) ,加速膨胀a¨ > 0要求压强为负: p < - ρ/3. 另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究,精确地测量微波背景涨落的角功率谱第一峰的位置揭示宇宙是平坦的,即宇宙中物质的总密度等于临界密度ρc = 4. 05 ×10- 11 ( eV) 4. 但是,我们知道所有的普通物质与暗物 质加起来只占宇宙总物质的1 /3左右,所以仍有约2 /3的短缺. 这一短缺的物质称为暗能量[ 5 ] ,其基本特征是具有负压,在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团. 最近WMAP数据显示,暗能量在宇宙中占总物质的73%,其能量密度大约为( 2. 3 ×10- 3eV) 4. 这一能标比粒子物理中的基本能标都要低,仅与中微子质量相当. 意指中微子可能与暗能量存在着某种内在的联系[ 6 ] . 注意,对于通常的辐射、重子和冷暗物质,压强都是非负的,所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙.

一种可能性是宇宙学常数,它是1917年爱因斯坦为建立一个静态的宇宙模型而引进的. 当他得知哈勃(Hubble)关于宇宙膨胀的结果后称宇宙学常数是他一生中最大的错误. 值得指出,在当今宇宙学研究中宇宙学常数有深一层的意义,它包含真空能.在量子场论中“真空”是不“空”的. 根据协变性要求,真空的能- 动量张量正比于度规张量,等效于爱因斯坦引进的宇宙学常数. 在实验测量中,二者是不可区分的. 这种能量在日常的生活和科学实验中感觉不到,但却支配着宇宙的演化,驱动宇宙的加速膨胀. 不过,很难从直观上想象真空的压强是负的. 数学上,真空的能- 动量张量正比于度规张量,它的状态方程应为w = p /ρ= - 1.

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另外利用能量守恒方程,由于真空能密度是个常数,可以得到p = - ρ. 但是目前量子场论的理论预言值远远大于观测值. 如果认为爱因斯坦的广义相对论和粒子物理的标准模型在普朗克标度以下都是有效的话,理论计算的真空能将比观测值大10120倍. 这一理论与实验的冲突即宇宙学常数问题是对当代物理学的一大挑战.暗能量也可以是一种随时间变化的动力学场的能量. 最简单的是一个具有正则动能的标量场Q,在文献中它被称为“quintessence”(精质) [ 7 ] ,直译为“第五元素”. 在古希腊哲学中,宇宙由水、火、土、空气及第五种元素组成.Quintessence的势能形式一般写为V (Q ) ,具体形式由模型而定. 随着宇宙的演化,Q场沿着V (Q )由高能往低能区滚动. 对于分布均匀的quintessence场,它的能量密度和压强分别为ρQ= Q·2 /2 + V (Q ) , pQ = Q· 2 /2 - V (Q) , 其中Q· 是quintessence场对时间的导数. 如果势能函数是非常平坦的话,quintessence场将处于慢滚阶段,满足Q·2n V (Q) ,这样压强将取负值,驱动宇宙的加速膨胀.

现在我们对于作为暗能量的两种可能性:宇宙学常数(或真空能)和quintessence场作一比较. 在quintessence模型中,暗能量随时间而变,不光能量密度ρQ ,且状态方程w = pQ /ρQ 不同时刻可取不同的值. 而对于真空能,能量密度是一个常数且状态方程永远是- 1. 用真空能来解释暗能量存在着两个大的问题,其一是上面已谈过的老的宇宙学常数问题,即观测的真空能为什么这么小? 第二个问题是:现今宇宙中的物质占27% ,暗能量占73% ,二者的能量密度处于同一个量级,然而,真空能与物质有完全不同的演化行为. 对于物质,其密度ρm 随着宇宙的膨胀而减少, ρm∝ a - 3 ;而对于真空能,它的密度ρv是一个常数,不随宇宙的演化而改变. 对于具有137亿年演化历史的宇宙来说,只有在宇宙早期非常精细地调整ρv /ρm 才能给出今天的ρv /ρm. 理论上讲这个精细调整是非常令人不满意的,在文献中,这个问题也叫作一致性问题( coincidence p roblem ). 在quintessence模型中,由于暗能量随宇宙演化而改变,这一问题有可能得到解决.

另外,由于quintessence是一种动力学场,它将带来一系列有趣的物理现象. 例如,与电磁场的相互作用Q FμνFμν (其中Fμν是电磁场张量)将会导致精细结构常数的改变. 这种“常数”不“常”的物理现象一旦被证实,也将是一个

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重大发现.

除了quintessence 外,近年人们还研究了K -essence, tachyon 和phantom 等暗能量模型,这些都是基于场论中的标量场理论. 这些标量场可为基本的,也可为复合的. 在粒子物理的标准模型中,希格斯场也是一个标量场,实验上至今还没有找到,理论上存在着一些困难,如平庸性和自然性等问题. 暴涨模型中的暴涨子也是标量场,理论上,保证暴涨势的平坦性也存在着一定的困难. 由此可知,标量场在粒子物理和宇宙学中有广泛的应用,但它的物理性质有待深入的理论研究,当然更重要的是实验上需要直接或间接地证实希格斯粒子、暴涨子和quintes2sence的存在.

理论研究暗能量模型并从观测(例如WMAP、SDSS, SN, Planck 以及我国正在设计制造的LAM2OST望远镜等)上确定其状态方程是当今宇宙学研究的一个焦点. 表征暗能量模型的一个重要量是状态方程w = p /ρ,比如,对于宇宙学常数(或真空能)它是- 1;对于quintessence模型,它介于+ 1和- 1之间;对于phantom模型,它小于- 1. 由此用天文观测数据对w 进行限制对于暗能量的研究是至关重要的. 在文献中,常用的w 的参数化包括: w ( z) =w0+w1 z或w ( z) =w0 +wa z / (1 +

z) . 最近利用SN数据分析结果显示,宇宙学常数w = - 1可以解释观测结果,但有迹象表明w 可能随着红移Z 增加由小于- 1到大于- 1. 为此,我们提出了一类新的暗能量模型,叫做quintom[ 8 ] . 然而要确定暗能量是否是动力学的需要进一步更精确的观测数据.

暗能量的本质决定着宇宙的命运. 如果加速膨胀是由真空能(即宇宙学常数)引起的,那么宇宙将永远延续这种加速膨胀的状态. 宇宙中的物质和能量将变得越来越稀薄,星系之间互相远离的速度将变得非常快,新的结构不可能再形成. 如果导致当今宇宙加速膨胀的暗能量是quintessence,那么宇宙的未来将由quintessence场的动力学决定,有可能会永远加速膨胀下去,也有可能重新进入减速膨胀的状态,甚至可能收缩. 然而目前已知的理论都不能自然地解释暗能量,而且存在着灾难性的宇宙学常数问题. 解决这一问题需要新的理论,这样的理论一旦被找到,很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论. 这将是一场重大的物理学革命. 参考文献

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[ 1 ] Spergel D N, Steinhardt P J. Phys. Rev. Lett. , 2000, 84:3760 [ 2 ] LinW B, Huang D H, Zhang X M et al. Phys. Rev. Lett. ,2001, 86: 954; Zhang XM. Plenary talk at Cosmo - 99, IC2TP. Italy. Ed. Cotti U et al. The p roceedings of the third In2ternationalWorkshop on Particle Physics and the Early Uni2verse, Cosmo - 99. 222

[ 3 ] Jonathan L. Feng, Arvind Rajaraman, Fumihiro Takayama.Phys. Rev. Lett. , 2003, 91: 011302

[ 4 ] Bi X J, Li M Z, Zhang X M. Phys. Rev. D, 2004, 69:123521 [ 5 ] TurnerM. astro - ph /0108103

[ 6 ] Zhang X M. Plenary talk at 12 th International Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions( SUSY 04) , Tsukuba, Japan, 17 - 23 Jun 2004. e - PrintArchive: hep - ph /0410292 [ 7 ] Ratra B, Peebles P J E. Phys. Rev. D, 1988, 37: 3406;Wetterich C. Nucl. Phys. B, 1988, 302: 668; Steinhardt P,Wang L, Zlatev I. Phys. Rev. D, 1999, 59: 123504

[ 8 ] Feng B, Wang X L, Zhang X M. astro - ph /0404224; Feng B, LiM Z, Piao Y S, Zhang XM, astro - ph /0407432; Guo Z K, Piao Y S, Zhang XM, Zhang Y Z. astro - ph /0410654;Xia J Q, Feng B, Zhang XM. astro - ph /0411501

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nuz2.html