宇宙是由什么构成的? | 《科学通报》解读Science 125个前沿问题

时间:2019-09-29 来源:www.bvehk.net

科学出版社2019.9.2我要分享

张鹏杰,上海交通大学物理与天文学系特聘教授。他于1997年毕业于北京大学,2003年毕业于多伦多大学,并于年成为费米实验室的博士后。 2005年当选为第100届中国人民科学院院士,并在中国科学院上海天文台担任研究员。 2012年12月,他加入了上海交通大学。荣获国家杰出青年科学基金(2010)和中国天文学会黄纸奖(2012)。研究领域是宇宙学,重点是宇宙的大规模结构及其在基本宇宙学物理学中的应用。

宇宙是什么构成的?这是一个古老而深刻的问题。在1970年代,建立了粒子物理学的标准模型。人类看到的所有颗粒都包含在胶囊中。但是,到本世纪之交,天文学震惊地发现:粒子物理标准模型只能覆盖宇宙中5%的物质和能量。宇宙的95%是暗物质(27%)和暗能量(68%)[1]。顾名思义,暗物质(暗能量)不发光,不是粒子物理的标准模型可以涵盖的常见物质。它们分布在我们周围,但是除了重力以外它们与普通物质几乎没有相互作用,因此它们从未在任何物理实验中可见,也从未出现在太阳系中。但是,在大约100,000光年的星系规模上,暗物质的力量是无可置疑的,它们产生的引力束缚了每秒飞行数百公里的数千亿颗恒星,因此这些星系不会散架;在年度星系的规模上,暗物质的引力可以束缚以每秒数千公里的速度冲动的巨大星系,甚至扭曲时间和空间,将来自遥远星系的光拉成巨大的光弧。但是,在数十光年及以后的规模上,暗能量是宇宙演化的主宰。暗能量是一个具有负压的神秘未知领域。状态方程(压力与能量之比)大约等于-1,因此产生的排斥重力几乎均匀地分布在整个宇宙中。它产生的排斥力使宇宙膨胀越来越快。暗物质和暗能量颠覆了人类对宇宙组成的认知,揭示了未知物理定律的冰山一角,预示着一场新的物理学革命的到来。但是,目前所有的证据都来自天文学。在1930年代,天文学家弗里茨兹维克(Fritz Zwicky)发现,星系(Coma)群的成员移动非常快。为了束缚这些星系,在星系团中存在大量不可见物质(即“暗物质”)以提供足够的引力。自1960年代以来,女天文学家Vera Rubin等人。 [2]发现,围绕银河系中心的螺旋星系中恒星的旋转速度比预期的要大得多,这表明银河系中存在大量暗物质。此后,暗物质的存在成为天文学界的共识。在21世纪,对引力透镜的观察进一步表明,星系之间的宇宙空间中还存在大量暗物质。这些暗物质产生的引力透镜效应使遥远星系的图像平均失真1%。这些看不见的暗物质是什么?黑洞?中子星?白矮星?其他由普通物质组成的密集但不发光的物体?没有!在宇宙尺度上结构的形成需要宇宙中约30%的普通物质和暗物质。宇宙大核合成告诉我们,普通物质约占5%。因此,暗物质不是普通物质,而是超出粒子物理学标准模型的未知物质。在天文学中通常将其称为非重子暗物质,以区别于主要由重子组成的普通物质。另一个更具决定性的证据来自宇宙微波背景辐射。非重子暗物质的存在调节了宇宙的早期物质流体中的声波振荡,在宇宙微波背景辐射中留下了独特的烙印。自2003年以来,WMAP,Planck等人。 [1]宇宙微波背景辐射测试准确地测量了这些标记,发现非重子暗物质约为普通物质的六倍。暗物质是决定宇宙形成的主导力量。像普通物质一样,暗物质的压力相对于其密度可以忽略不计。因此,暗物质和普通物质的引力行为基本相同。因为暗物质比普通物质要多得多,所以暗物质是宇宙结构形成的基石,也是维持星系和星系动态稳定性的关键。在银河系中,太阳以约220 km/s的巨大速度运动。暗物质没有被巨大的离心力拉出银河的原因很重要。从早期宇宙以极其均匀的物质分布开始,演化出了高密度星系,暗物质也起着核心作用。在重力作用下,暗物质逐渐聚集并形成团簇,从而形成暗物质晕,并且在这些暗物质晕中形成了星系。在银河系调查中,发现了一个巨大的“银河长城”,规模为10亿至20亿。暗物质是骨骼。至于暗能量,早在1980年代,宇宙学家就推测了暗能量的存在。但是,暗能量已被天文学和物理学广泛接受,并且源自1998年对Ia型超新星的观测。Ia型超新星是宇宙中的“标准烛光”,能够测量其与亮度的距离,从而转化为宇宙大小随时间的演变。通过对遥远超新星的观测,两个天文学小组发现,宇宙的膨胀速度不仅在引力的影响下不再变得越来越慢,而且变得越来越快[3,4]!这是一个革命性的发现,因此三个负责人(索尔珀尔默特(Saul Perlmutter),亚当里斯(Adam Riess),法比安施密特(Fabian Schmidt))获得了2011年诺贝尔物理学奖。根据广义相对论,宇宙的加速膨胀表明宇宙中存在一个未知的能量场,即暗能量。它的状态方程近似等于-1,因此其重力被反映为排斥力,从而导致宇宙膨胀的加速。除了超新星的证据外,来自多个观测的证据也支持暗能量的存在。例如,2011年5月,阿塔卡马宇宙望远镜在宇宙微波背景中发现了暗能量。与过去不同,新证据完全来自宇宙微波背景观测,即它不依赖于任何其他观测。原因是三月份望远镜首次测量了由低红移宇宙的大规模结构引起的宇宙微波背景弱引力透镜现象(CMB透镜)。该测量打破了宇宙微波背景宇宙学中的几何退化,因此消除了从宇宙微波背景中独立发现暗能量的障碍。自2013年以来,普朗克卫星微波本底辐射测试已通过相同方法更确切地证实了暗能量的存在。因为暗能量的重力效应反映为排斥力,所以暗能量在宇宙中基本上不会聚集并均匀分布。由于这种特性,很难从单个星系或星系团中找到暗能量的痕迹。那么,暗能量如何检测到它呢?除了使宇宙加速其膨胀之外,它还减慢了宇宙结构的增长速度,从而在宇宙的大规模结构上留下了独特的印记。天文学家已经掌握了多种从大量天文数据中提取暗能量信息的方法。宇宙辽阔多彩,因此天文学家拥有许多探测暗物质和暗能量的方法。值得一提的是,不同的方法可以提供一致的结果。暗物质约为27%,暗能量约为68%。这些方法包括宇宙微波背景辐射,重子声波振荡,Ia型超新星,红移畸变,星系计数,弱引力透镜等,它们彼此独立,交叉验证,使暗物质和暗能量的存在更具说服力。因此,基于此的宇宙学模型称为一致性宇宙学,它可以解释几乎所有的宇宙学观测结果,因此已成为宇宙学的标准模型。但是,暗物质是什么?什么是暗能量?我们知道的很少。暗物质可能与块状物质相互作用较弱,与普通物质发生作用的可能性很小,但并非为零。有许多地下试验(例如上海交通大学主持的PandaX试验和清华大学进行的CDEX试验)正在寻找由暗物质引起的核反冲。暗物质粒子之间也可能会发生淬灭,产生伽马射线(连续谱线或谱线),正电子等,这些是刚刚在中国发射的费米卫星,α磁谱仪和DAMPE暗物质卫星。寻找暗物质的方法;暗物质颗粒也可能衰变,从而改变了早期的微波背景辐射,暗龄和电离过程。暗能量可能是爱因斯坦在80多年前提出的宇宙学常数。但是,没有任何令人信服的机制来解释其观察的幅度。基于真空零能量的估计值比观察值大100个数量级;暗能量也可能是一个动态场,其特性会随着时间而变化。动态暗能量与宇宙常数之间的差异在于其状态方程w通常不等于-1并随时间变化。即使在这个动态领域中所谓的跟踪器解决方案也有助于缓解所谓的巧合问题。为什么在不久的将来暗能量和物质密度几乎相同?甚至可能根本没有暗能量,但是宇宙论中的广义相对论。在规模上存在问题。在过去的十年中,改变引力的研究取得了重大进展,例如改变了引力屏蔽机制的发现和改变了引力的数值模拟,从而促进了广义相对论的宇宙学检验和聚结研究。暗能量。在未来10年左右的时间里,将启动许多大型的第四代暗能量调查项目,包括Euclid卫星,WFIRST卫星项目,基于LSST 6 m地面望远镜的计量调查以及基于Mayall 4的DESI频谱调查。米望远镜。并基于8 m斯巴鲁望远镜进行了PFS光谱调查。这些调查将通过多种方法探索暗能量,例如重子振荡,弱重力透镜和红移畸变。有望准确测量暗能量状态方程并在宇宙学尺度上测试广义相对论,从而打开一个新的物理窗口。

参考

1 Planck C,Ade PARR,Aghanim N等。普朗克2013年业绩。十六。宇宙学参数。天文学,2014,571: A16A81

2 Rubin V C,Ford Jr WK。从发射区的光谱调查看仙女座星云的旋转。天文学杂志,1970,159:

3 Riess A G,Filippenko A V,Challis P等。超新星的观测证据表明宇宙加速发展,宇宙常数不断增大。 Astron J,1998,116:

4 Perlmutter S,Aldering G,Goldhaber G等。从42个高红移超新星测量Ω和Λ。天文学杂志,1999,517:

本文摘录自高夫《Science 125 个前沿问题解读》编辑的书,标题为编辑。

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ISBN 978-7-03--8

北京:科学出版社,2010.05

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张鹏杰,上海交通大学物理与天文学系特聘教授。他于1997年毕业于北京大学,2003年毕业于多伦多大学,并于年成为费米实验室的博士后。 2005年当选为第100届中国人民科学院院士,并在中国科学院上海天文台担任研究员。 2012年12月,他加入了上海交通大学。荣获国家杰出青年科学基金(2010)和中国天文学会黄纸奖(2012)。研究领域是宇宙学,重点是宇宙的大规模结构及其在基本宇宙学物理学中的应用。

宇宙是什么构成的?这是一个古老而深刻的问题。 1970年代,建立了粒子物理学的标准模型。人类看到的所有颗粒都包含在胶囊中。然而,在世纪之交,天文学震惊地发现:粒子物理标准模型只能覆盖宇宙中5%的物质和能量。暗物质(27%)和暗能量(68%)占宇宙的95%。顾名思义,暗物质和暗能量不会发光,这不是粒子物理学标准模型所涵盖的常见物质。它们分布在我们周围,但是与重力以外的普通物质几乎没有相互作用,因此它们永远不会出现在任何物理实验或太阳系中。但是,在星系规模为100,000光年的情况下,暗物质的能量是无穷尽的。它们的引力以每秒数百公里的速度束缚着数千亿颗恒星,因此星系不会坍塌。在数百万光年的星系团规模上,暗物质的引力可以束缚数千公里。巨大的星系以一秒的速度飞驰,甚至扭曲了空间和时间,将来自遥远星系的光拉成巨大的弧线。但是,在数千万光年的规模上,暗能量是宇宙演化的主要因素。暗能量是一个神秘的未知负压场,状态方程(压力与能量之比)约为-1,因此会产生排斥重力,并在宇宙中几乎均匀地分布。它的排斥力使宇宙膨胀得越来越快。暗物质和暗能量颠覆了人类对宇宙的理解,揭示了未知物理定律的冰山一角,并预示着一场新的物理革命的到来。但是现在所有证据都来自天文学。在1930年代,天文学家弗里茨兹维奇(Fritz Zwicky)发现,昏迷星团中的成员星系移动非常快。为了束缚这些星系,在星系团中需要大量不可见物质(暗物质)以提供足够的引力。自1960年代以来,女天文学家Vera Rubin等人。 [2]发现,围绕银河系中心的螺旋星系中恒星的旋转速度比预期的要大得多,这表明银河系中存在大量暗物质。此后,暗物质的存在成为天文学界的共识。在21世纪,对引力透镜的观察进一步表明,星系之间的宇宙空间中还存在大量暗物质。这些暗物质产生的引力透镜效应使遥远星系的图像平均失真1%。这些看不见的暗物质是什么?黑洞?中子星?白矮星?其他由普通物质组成的密集但不发光的物体?没有!在宇宙尺度上结构的形成需要宇宙中约30%的普通物质和暗物质。宇宙大核合成告诉我们,普通物质约占5%。因此,暗物质不是普通物质,而是超出粒子物理学标准模型的未知物质。在天文学中通常将其称为非重子暗物质,以区别于主要由重子组成的普通物质。另一个更具决定性的证据来自宇宙微波背景辐射。非重子暗物质的存在调节了宇宙的早期物质流体中的声波振荡,在宇宙微波背景辐射中留下了独特的烙印。自2003年以来,WMAP,Planck等人。 [1]宇宙微波背景辐射测试准确地测量了这些标记,发现非重子暗物质约为普通物质的六倍。暗物质是决定宇宙形成的主导力量。像普通物质一样,暗物质的压力相对于其密度可以忽略不计。因此,暗物质和普通物质的引力行为基本相同。因为暗物质比普通物质要多得多,所以暗物质是宇宙结构形成的基石,也是维持星系和星系动态稳定性的关键。在银河系中,太阳以约220 km/s的巨大速度运动。暗物质没有被巨大的离心力拉出银河的原因很重要。从早期宇宙以极其均匀的物质分布开始,演化出了高密度星系,暗物质也起着核心作用。在重力作用下,暗物质逐渐聚集并形成团簇,从而形成暗物质晕,并且在这些暗物质晕中形成了星系。在银河系调查中,发现了一个巨大的“银河长城”,规模为10亿至20亿。暗物质是骨骼。至于暗能量,早在1980年代,宇宙学家就推测了暗能量的存在。但是,暗能量已被天文学和物理学广泛接受,并且源自1998年对Ia型超新星的观测。Ia型超新星是宇宙中的“标准烛光”,能够测量其与亮度的距离,从而转化为宇宙大小随时间的演变。通过对遥远超新星的观测,两个天文学小组发现,宇宙的膨胀速度不仅在引力的影响下不再变得越来越慢,而且变得越来越快[3,4]!这是一个革命性的发现,因此三个负责人(索尔珀尔默特(Saul Perlmutter),亚当里斯(Adam Riess),法比安施密特(Fabian Schmidt))获得了2011年诺贝尔物理学奖。根据广义相对论,宇宙的加速膨胀表明宇宙中存在一个未知的能量场,即暗能量。它的状态方程近似等于-1,因此其重力被反映为排斥力,从而导致宇宙膨胀的加速。除了超新星的证据外,来自多个观测的证据也支持暗能量的存在。例如,2011年5月,阿塔卡马宇宙望远镜在宇宙微波背景中发现了暗能量。与过去不同,新证据完全来自宇宙微波背景观测,即它不依赖于任何其他观测。原因是三月份望远镜首次测量了由低红移宇宙的大规模结构引起的宇宙微波背景弱引力透镜现象(CMB透镜)。该测量打破了宇宙微波背景宇宙学中的几何退化,因此消除了从宇宙微波背景中独立发现暗能量的障碍。自2013年以来,普朗克卫星微波本底辐射测试已通过相同方法更确切地证实了暗能量的存在。因为暗能量的重力效应反映为排斥力,所以暗能量在宇宙中基本上不会聚集并均匀分布。由于这种特性,很难从单个星系或星系团中找到暗能量的痕迹。那么,暗能量如何检测到它呢?除了使宇宙加速其膨胀之外,它还减慢了宇宙结构的增长速度,从而在宇宙的大规模结构上留下了独特的印记。天文学家已经掌握了多种从大量天文数据中提取暗能量信息的方法。宇宙辽阔多彩,因此天文学家拥有许多探测暗物质和暗能量的方法。值得一提的是,不同的方法可以提供一致的结果。暗物质约为27%,暗能量约为68%。这些方法包括宇宙微波背景辐射,重子声波振荡,Ia型超新星,红移畸变,星系计数,弱引力透镜等,它们彼此独立,交叉验证,使暗物质和暗能量的存在更具说服力。因此,基于此的宇宙学模型称为一致性宇宙学,它可以解释几乎所有的宇宙学观测结果,因此已成为宇宙学的标准模型。但是,暗物质是什么?什么是暗能量?我们知道的很少。暗物质可能与块状物质相互作用较弱,与普通物质发生作用的可能性很小,但并非为零。目前,许多地下实验(例如上海交通大学主持的Pandax测试和清华大学主持的CDEX测试)正在寻找由暗物质引起的核反冲。暗物质粒子也可能被歼灭,产生伽马射线(可能出现连续光谱或谱线),正电子等,这些是搜寻暗物质的方法,例如费米卫星,阿尔法磁谱仪,悟空(DAMPE)暗物质卫星刚由我们国家推出。暗物质粒子也可能衰变,从而改变了早期的宇宙微波。背景辐射,黑暗时代和重新电离过程。暗能量可能是宇宙学常数。爱因斯坦在80多年前就引入了广义相对论场方程。但是,没有令人信服的机制来解释观测值的大小。基于真空零电势的估计值比观察值大100个数量级。暗能量也可能是一个动态场,其特性会随着时间而变化。动态暗能量与宇宙常数之间的差异在于,状态方程W通常不等于-1,并且随时间变化。即使在此动态领域中存在所谓的跟踪器解决方案,也可以帮助缓解所谓的重合问题:为什么近年来暗能量和物质密度几乎相同?甚至可能根本没有暗能量,但是广义相对论在宇宙学尺度上有问题。在过去的十年中,重力变化的研究取得了很大的进展,例如发现了重力屏蔽机理的变化和重力数值模拟的变化,从而促进了广义相对论的宇宙学检验和研究。集群暗能量。在未来10年左右的时间里,将进行许多大型的第四代暗能量巡逻项目,包括Euclid卫星,WFIRST卫星,基于LSST 6m地面望远镜的光度法巡逻,基于Mayall 4m望远镜的DESI光谱巡逻和PFS基于8m Subaru望远镜的频谱巡逻。这些调查将通过多种方法探索暗能量,例如重子振荡,弱重力透镜和红移畸变。有望准确测量暗能量状态方程并在宇宙学尺度上测试广义相对论,从而打开一个新的物理窗口。

参考资料

1普朗克C,阿德P A R,Aghanim N等。普朗克2013年业绩。十六。宇宙参数。天体物理学,2014,571: A16A81

2鲁宾V C,福特Jr W K。仙女座星云发射区光谱测量的自转。天体物理学J,1970,159:

3 Riess A G、Filippenko A V、Challis P等。超新星观测到的加速宇宙和宇宙常数的证据。Astron J,1998年,116:

4珀尔马特,奥尔德林G,戈德哈伯G,等。42颗高红移超新星Ω和∧的测量。天体物理学J,1999,517:

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本文摘录自高夫《Science 125 个前沿问题解读》编辑的书,标题为编辑。

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ISBN 978-7-03--8

北京:科学出版社,2010.05

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