暗物质——我们究竟知道些什么？

神秘而不可见的物质维系着宇宙,使我们生存的世界免于分崩离析,但它们到底是什么？ 宇宙并不遵循“所见即所得”的原则。事实上,我们所看到的物质——恒星、气体和尘埃——仅仅占据了宇宙物质质量的10％左右。这些可见的普通物质由质子、中子和电子组成。科学家们把它们称为“重子物质”,因为质子和中子在亚原子粒子中被称为“重子”。宇宙物质的其余90％则是“暗物质”,它们包围着宇宙中的每一个星系。     

暗物质：宇宙的秘密

在我们的宇宙中,恒星和行星是随处可见的,除此之外还有大量自由漂浮着的气体云,也涂画在时空巨大的幕布上——我们所能看到的这一切,天文学家称它们为“可见物质”。但你是否知道,这些可见的物质,其实只占了宇宙中全部物质的很少一部分（17％）呢？宇宙中另外那约83％的物质都是我们看不见的,没有人知道它们究竟是些什么。在过去的80多年里,天文学家一直试图对宇宙中这些被称为“暗物质”的成分进行直接的观测,但到目前为止还没有一次获得过成功。     

为什么我们需要暗物质?

暗物质既是宇宙必需的组成部分,更是一个依然扑朔迷离的难题。根据对宇宙大爆炸余辉——微波背景辐射——的研究,你、我、每一件日常用品、行星、恒星、星云和星系等,我们周围可见的所有物质仅占据宇宙质量能量的4.9%。与之形成对比的是,暗物质占据了宇宙的26.8%,是普通物质的5倍多,但它们的本质至今不明。     

暗物质与暗能量新解

“热”光子使暗能量现身 现代天体物理学家认为,在宇宙成分中,暗能量约占73％;暗物质占23％;发光物质占0．4％（恒星和发光气体0．4％;辐射0．005％）：不可见的普通物质占3．7％（星系际气体3．6％;中微子0．1％;超重黑洞0.04％）。宇宙暗能量提供斥力,可解释宇宙加速膨胀（在已知物理中,只有万有引力,没有相应的斥力）;同时也能解释宇宙年龄困难。     

基于Fermi-LAT数据的暗物质湮灭线谱搜寻及悟空号的伽马射线分析软件开发

正在现代的天体物理观测中,有许多天文现象包括星系旋转曲线、星系团的质量测量、宇宙微波背景辐射的角功率谱等,难以用现有模型进行解释.它们跨越多个尺度—小至星系尺度,大至整个宇宙尺度,需要在模型中额外引入一定的质量才能令观测现象得到很好的解释,而提供这些质量的"物质"却难以用通常的电磁波或中微子手段探测到.这部分物质被称为"暗物质".根据现有的观测结果,它们应具有正常的引力相互作用,没有强相互作用和电磁相互作用,寿命很长(显著长于宇宙的寿命).对暗物     

冷暗物质子结构的数值追踪及其湮灭辐射的观测

<正>当前对宇宙的主要观测都指向物质成分为冷暗物质主导的~CDM宇宙学.在冷暗物质的宇宙中,原初的微小扰动在引力作用下增长为位力化的团块,称为暗物质晕.小质量暗晕最先形成,它们之间的相互并合形成了更大质量的暗晕.并合之后,前身暗晕在当前载晕中会以自束缚的子结构形式存活很长时间,称为子晕.在数值模拟中我们可以对子晕的形成和演化进行详细的研究.这种研究为星系形成演化模型提供了基础,同时也影响了我们观测上探测暗物质的方式.     

毎个星系都含有暗物质吗?

两个不起眼的星系在学界掀起了轩然大波,但时至今日仍不清楚到底是怎么回事。在距离地球约6000万光年之外——至少有一些天文学家的结论如此,有一对奇特的星系正在引发一场宇宙学骚动。分别被称为NGC 1052-DF2和NGC 1052-DF4,后文简称为DF2和DF4,它们所包含的恒星数量远远少于常见的星系。然而,让天文学家咋舌的并非它们缺少恒星,而是这两个星系似乎不包含暗物质,但暗物质占据着宇宙物质组成的85%。     

宇宙大尺度结构数值模拟的研究进展

宇宙的结构是由初始密度扰动发展而成的。在引力和宇宙膨胀的作用下,初始密度扰动不断增长,经过线性和非线性阶段,逐渐演化为现今的宇宙结构。在一个给定的宇宙学模型下,可以用一系列动力学方程来描述宇宙中暗物质和重子物质的运动及演化历史。在过去的几十年间,随着算法的完善和计算机技术的发展,从最初几十个粒子的纯引力模拟到1010个粒子在秒差距量级的多体加流体动力学模拟,大量不同的数值模拟技术被用来研究宇宙结构的形成和演化。在这个过程中,数值模拟的分辨率和精度不断提高,模型中对重子物质物理过程的描述也越来越完善。这些模拟技术与观测结果相结合,使人们对宇宙的大尺度结构以及星系团的形成和演化有了更深刻的理解,也在一定程度上影响了观测的发展方向和设备研发。不同数值模拟结果在纯引力研究方面得到了较好的统一,但不同的星系模型使得流体模拟的结果存在较大的差异。     

简并度对引力不稳定性的影响

本文讨论了无碰撞粒子系统中简并度对引力不稳定性的影响,计算了塌缩时间的Ｌａｎｄａｕ阻尼时间．在研究费密型暗物质占主导地位的宇宙中星系形成的理论时,系统分布函数的简并度对引力不稳定性的影响有重要意义．     

暗物质到底有还是没有?

一些天体物理学家认为已经在椭圆星系中发现了暗物质存在的迹象,这和 2003年一些天文学家提出的这些星系缺少星系晕的说法是矛盾的,但它支持了这样一种观点,不能探测到的大量物质——暗物质(DM)对星系形成之初是有引力影响的,并且还在它们的周围。天文学家比较倾向 DM 存在的观点,一种称为修正牛顿动力学     

基于深度学习的无碰撞引力N体数值模拟的可行性研究

提出了用深度神经网络代替快速傅里叶变换法求解无碰撞引力N体数值模拟方法PM-Tree(Partical Mesh Tree)中的势能,以提升PM-Tree方法的效率,验证深度学习方法加速无碰撞引力N体数值模拟的可行性.无碰撞引力N体数值模拟对研究星系、暗物质晕以及宇宙大尺度结构的形成和演化有重要意义.无碰撞引力N体数值...     

宇宙画廊 测绘星系团质量分布

我们银河系的直径大约是1O～12万光年,对我们来说,这样的尺度已经大得很难想象了。与银河系比起来,星系团的大小简直就是超乎想象。星系团通常包含成百上千个星系,它们在引力的作用下聚集在一起,其尺寸足有几千万光年。这些星系团是正在碰撞的星系和暗物质之间复杂的相互作用形成的,暗物质不参与电磁相互作用,既不发光也不反射光,所以我们无法直接探测到它们的存在。探测极其遥远星系团的质量分布就更是难上加难了。     

宇宙信息

宇宙信息氢云不是孤立的云氢云实际上是星系周围巨大的气态晕，而不是星系际空间孤立的云。这一发现使星系的可见边缘延伸了２０多倍。要是这样的话，氢云成了占宇宙物质９０％以上的暗物质的有效储库。纽约国立大学的兰泽塔领导的一个小组调查了１９９１年哈勃空间望远镜...     

寻找暗星系

虽然天文学家发现宇宙中90～99%的物质不发光,或发出的光非常弱,探测不到,但是许多人并不相信这是真的。夏威夷大学的科曼蒂和澳大利亚斯特罗姆洛山天文台的弗里曼对十几个从最亮的旋涡星系到最暗的矮星系研究后发现,星系越大暗物质的比例越低。最小的矮星系的暗物质密度?..     

星系形成和冷暗物质模型——(Ⅰ)暗物质与初始扰动谱

本文力求给出近年来在星系形成理论研究中对了解从原初扰动起源到重子物质与暗物质分离过程所取得的各项重要进展的线索,并指示冷暗物质模型结合星系有偏袒形成的概念,可使关于宇宙不同尺度结构的大量观测事实得到合理的解释。第一部分介绍与扰动起源、谱形和增长等有关的问题,着重说明宇宙暴胀概念和非重子暗物质的存在所起的关键作用,指出不仅重子暗物质为主的,而且热的非重子暗物质为主的模型存在严重的困难。     

重子物质对暗物质晕形状和角动量的影响

利用高精度大样本的冷暗物质($\Lambda$ cold dark matter, $\Lambda$CDM)宇宙学数值模拟的数据, 对重子物质如何影响暗物质晕的形状和角动量进行了研究.使用了3种数值模拟数据, 纯暗物质模拟、含辐射冷却、恒星形成和动力学超新星反馈的模拟, 包含活动星系核反馈效应的恒星形成模拟. 对这3种模拟, 还进行了不同红移处的比较. 主要结果如下.重子物理过程会改变暗物质晕的质量分布, 特别是有活动星系核反馈机制的情况下.比如, 活动星系核反馈会减少大质量暗物质晕的形成.随着宇宙的演化, 暗物质晕的空间形态逐渐由扁变圆. 重子物质的存在会加速暗物质晕形状的变化过程, 而且会使暗物质晕形状变得更圆. 但是活动星系核的反馈会对这一加速效应产生抑制.重子物质对暗物质晕的影响与暗物质晕的质量和半径都存在一定的依赖性.暗物质晕的质量越大, 它会呈现更扁的形态. 同时, 重子物质对任意质量的暗物质晕或暗物质晕在任意半径处的变圆均有一定的促进作用,尽管活动星系核反馈会抑制这一促进作用.特别是对于暗物质晕在0.2--0.6倍维里半径处的形状, 重子物质的影响尤为明显.此外, 重子物质的存在会对暗物质晕的角动量产生显著影响, 它会增大暗物质的角动量. 暗物质晕的自旋参数与质量无相关性, 但是与暗物质晕的半径存在一定的相关性.     

中国天文学家提出探索暗物质和暗能量的新方法

2008年7月,上海天文台张鹏杰研究员与国家天文台陈学雷研究员在《Physical Review D》上发表了题为（Type Ia supernovae as speed sensors at inter-mediate redshifts》的论文,阐述了通过Ia型超新星的视亮度变化来测量中等红移处宇宙大尺度本动速度,从而探索暗物质、暗能量和宇宙学尺度上引力性质的方法。     

话说宇宙学常数

爱因斯坦的引力学说和广义相对论,除对牛顿引力理论做了众所周知的改进外,还在其1919年提出的引力方程式中,首次引进了宇宙学常数∧。这样,便意味着宇宙中存在负的引力质量,产生斥力,以与普通物质的引力相抗衡,使整个宇宙保持静态。但是,在哈勃于1923年发现宇宙膨胀现象之后,爱因斯坦极度后悔,称此事是他一生中所犯的最大错误,又放弃了宇宙学常数项。 20世纪80年代兴起的暴涨宇宙学说却认为正是因为极早期宇宙中∧不为零,导致宇宙在极短时间内急剧膨胀,但在今日的宇宙中∧=0。1998年初,两个天     

暗物质与类星体分布

宇宙中的大部分物质是不可视的,这些暗物质在宇宙大尺度结构的形成中起到重要的作用。本文首先讨论了暗物质存在和均匀分布的证据,并指出宇宙中可能存在两种非重子的暗物质成份。在具有两种暗物质成份的宇宙中成团过程将不同于标准的绝热和等温两种成团图景。在具有两种成份的体系中成团过程的特征是:假如ρ_1和ρ_遍以及λ_(1J)和λ_(2J)分别为两种成份的密度和相应的Jeans长度,当满足条件ρ_1≤<ρ_2,λ_(1J)≤λ_(2J)时,无论初始扰动存在于成份1或成份2中,尺度小于λ_(2J)的不均匀性总是在非主导成份中发展得比主导成份2中更大一些。从这种新的成团图景中我们可以解释在类星体分布中的下述特征: (1)与星系分布相比较,类星体的分布中在尺度10—100Mpc上没有很强的不均匀性; (2)红移Z>2和Z<2的类星体的分布不相同,前者没有大尺度的结果,而后者则有。     

高阶引力理论及其在星系旋转 曲线中应用的可能性

介绍了建立高阶引力理论（该理论用以修正爱因斯坦广义相对论）的物理背景,并讨论了暗物质问题。对几种主要高阶引力理论及其解作了评述,并尝试在不必假定暗物质存在的情况下,用高阶引力理论解决有关星系旋转曲线的困难。但令人遗憾的是,至今还没有一个理论取得完全的成功。指出了解决这一问题面临的困难,并建议寻找新的高阶引力理论。