暗物质研究与探测

暗物质是一种神秘莫测的不可见物质,它几乎占据了宇宙1／4的物质和能量,但是除了引力作用之外,它们和“常规”物质不发生任何相互作用。科学家们之所以提出宇宙中存在暗物质,并不是因为他们“看见”了暗物质,而是通过看不见的暗物质对可见物质施加的引力影响间接地获得关于它们的信息。     

“时空”受到挑战

关于时空 悠悠万事于此惟大,这个“此”是什么？就是时间和空间,它是我们宇宙的基础结构。实际来说,这两者既看不到又摸不着,我们能感知的只是它们的力,即引力。爱因斯坦的广义相对论,把两者结合起来,称为时空。这是现代物理学中,最具权威的一个概念。     

Einstein方程的电磁荷解

本文从引力理论出发,给出了非真空Einstein方程的电磁荷解。它与利用Yang-Mills理论所得到的丢掉宇宙项时的引力双荷子黑洞解是一致的,所以,引力双荷子黑洞与径向电磁场所构成的时-空效应是一样的。而且,这个解包含了Reissner-Nordstrom解。     

引力波与引力波源

引力波爆发事件GW150914的发现,标志着引力波天文学时代的到来,它为人类打开了全新的窗口来研究强引力场、极致密天体、极高能过程、极早期宇宙等极端物理过程和现象。介绍广义相对论中引力波的基本性质、观测效应以及主要的产生机制。并着重介绍宇宙中的几类比较重要的引力波源的主要性质、探测方法,以及探测现状和未来展望。具体包括:旋转的中子星、稳定的双星系统等连续的引力波源,超新星爆发、双星并合等爆发式的引力波源,以及天体物理过程和宇宙暴胀产生的随机引力波背景。     

宇宙中大尺度非线性结构

宇宙物质在大尺度上成团是宇宙学的基本问题.本文综述了金斯理论和泽利多维奇近似,指出:双成分自引力系统的非线性相互作用的动力学描述是大尺度成团的现代研究课题. 详述了过去在这个课题方面被我们获得的结果.表明:自引力系统的结构可由一组非线性藕合方程描写:扰动场能塌缩并形成类薄饼结构.在宇宙条件下,我们得到了星系团、超团和巨洞的特征尺度.     

大尺度质量扰动和速度场的计算

本文在宇宙弦模型中,计算了各种暗物质主导宇宙的大尺度均方质量扰动和速度场。我们的计算结果表明,如果冷暗物质和重子主导字苗在8Mpch~(-1)处引力成团达到非线性或者中微子主导宇宙在z～3时出现Pancake碎裂,则相应的宇宙弦线密度μ均应满足关系式:Gμ>10~(-5),而这样的弦密度将导致宇宙微波背景较大的各向异性并违反大爆炸核合成理论。对大尺度速度场的计算,我们得到了它随距离增大比通常宇宙模型下降得更慢的结果,但它仍不足以解释Collins等最近报告的在50h~(-1)Mpc处v_p=970±300km·s~(-1)的固有速度。因此我们的计算表明,由单一的弦扰动形成观测到的大尺度结构是困难的。双扰动模型有可能是解决困难的一种途径。     

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     

诱生引力理论中的量子虫洞与宇宙量子场论

本在诱生引力理论中探讨了量子虫洞和宇宙量子场论，在黑格斯场ψ的真空期待值附近，我们求解了Wheeler-De Witt方程，得到了虫洞波函数的严格解，并且探讨了三次最子化问题，我们发现宇宙创生服务Planch分布。     

ISW效应对Yukawa引力势的检验

该文利用Integrated Sachs-Wolfe(ISW)效应探测宇宙大尺度引力势随时间的变化速率,从而能够在宇宙学尺度上检验引力的性质.以Yukawa引力势为例,探讨了利用ISW效应检验引力性质的能力.计算表明,ISW效应对引力的性质很敏感,通过与宇宙微波背景辐射实验WMAP五年的观测结果相比较,发现相对于牛顿常数,等效牛顿常数在宇宙学尺度上最多只有约2%的改变.     

是什么推动宇宙加速膨胀

对若干遥远星系中Ⅰa型超新星的观测,以及威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）提供的信息和星系斯隆数字巡天（SDSS）的结果都表明宇宙确实在加速膨胀。宇宙加速膨胀说明宇宙中存在着一种排斥力,这种力在星系尺度内并不重要,但在星系之间的环境下,它的作用就十分明显,大多数天文学家认为这种排斥力源于宇宙内存在着的暗能量。但暗能量究竟是什么？一种建议认为暗能量就是爱因斯坦在用广义相对论说明宇宙时,为使宇宙模型维持静止状态而引进的以宇宙学常数（cosmological constant）λ为标志的暗能量,λ与普遍存在于真空空间内的反引力有关,其主要特征是能量密度在宇宙长河的所有时期保持不变,是一个恒量;另一种建议是斯坦哈特（P.Steinhardt）等人提出的充斥在空间中的精质（quintessence）,这种形式的暗能量不是恒定不变的,因时间和空间而异,一些理论工作者建议修改引力学说来说明宇宙加速膨胀现象。美国费米实验室的宇宙学家科尔布（Rocky Kolb）则认为星系在空间分布的不均匀是导致宇宙加速膨胀的诱因。     

X射线与黑洞

X射线的光子能量是其光学对应体的千倍,能量范围比可见光宽几千倍,它还同宇宙中一些激变事件例如在极端引力压迫下的恒星爆发,或物质以接近光速的急速回旋有关,因此在现代天文学中,X射线是认识宇宙现象的有力工具,在探测黑洞方面更具有其他辐射无可比拟的功能。     

宇宙信息

宇宙信息宇宙是开放的吗？目前，宇宙学家还不能确定宇宙是开放的还是闭合的。宇宙究竟是含有足够的质量，在自身引力下停止膨胀并向回收缩，还是永远膨胀下去？但他们有很强的理论倾向。暴涨宇宙理论认为，宇宙是膨胀还是收缩取决于宇宙的密度ｏ，如果字宙的密度高于临界...     

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。     

宇宙创生的量子理论

从理论物理的角度看来宇宙学不但应当是自洽的,而且应当是自足(self-contained)的,因为,按照定义,没有东西可以存在于宇宙之外。这个要求可望在量子宇宙论中得到满足。一种可能的方案是,宇宙量子态必须是欧氏量子引力理论中的“基态”。这种基态可表述为:任何三维紧致面的量子幅度应表为所有正定的以这三维面为一边界的紧致四维流形的路径积分。这个方案体现了如下的观念:宇宙是由“无”创生的,亦即宇宙的边界条件即它没有边界,整个宇宙只决定于物理定律,不需要任何初始条件。     

基本相互作用和它们的统一

在《标准宇宙模型及宇宙的未来》(本刊 1 996年第2期 )一文中曾提到自然界的四种基本相互作用 :强相互作用 (简称强力 )、弱相互作用 (简称弱力 )、电磁相互作用 (简称电磁力 )及引力相互作用 (简称引力 )的统一问题 ,本文将对此问题做扼要介绍。大家知道 ,地球上任何物体的重量就是物体受地球引力的度量 ,天体之间的相对运动主要也是受它们之间的引力支配的 ;而电力和磁力是通过 1 9世纪中叶麦克斯韦 (Ｊ.Ｃ .Ｍａｘｗｅｌｌ)发现的并以他的姓命名的方程式有机地统一起来的。电子被束缚在原子核周围 ,原子结合成分子都是电磁力起主导作用的…     

裸奇性·负能量·蠕洞与太空旅行

裸奇性与宇宙监督假设 物理学家把物质密度和引力强度均为无穷大的点叫做奇点。奇点是如何形成的呢?以恒星为例,一个质量大于3倍太阳的恒星在演化到晚期时,很难抗衡引力收缩而保持自身的稳定,终将坍缩为一点。但任何一个以这种方式坍缩的球状天体人们是探测不到的,这就是黑洞,因为在该天体周围形成的视界(Eventhorizon)将它包裹起来,而按照广义相对论,逸出视界的     

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...     

关于有挠时空理论中的宇宙模型

本文阐明了引力规范理论的自治性.以简单的R+Q~2理论为例讨论了宇宙模型.挠率的存在并不改变标准宇宙模型的结果.     

红移畸变效应理论模型研究进展

星系红移巡天中的红移畸变效应是指由星系本动速度引起的,观测到红移空间中星系成团性呈现各向异性的效应。它是很重要的宇宙学探针,能够帮助我们重构宇宙结构形成的历史,结合宇宙膨胀历史的研究,我们可以打破暗能量模型和修正引力模型的简便性,更精确地限制宇宙学参数。随着观测精度的提高,下一代星系红移巡天(DESI,Euclid,LSST等)有望将红移畸变效应测量的统计误差降低到1%左右,然而目前红移畸变模型普遍都还有5%~10%的系统误差,因此,红移畸变模型的精度已经成为这个领域发展的瓶颈。我们介绍了几个主流的红移畸变模型,重点讨论每个模型中采用的假设及其局限性,并提出进一步改进的方向。     

宇宙时－空结构的几何缺陷

宇宙时－空结构的几何缺陷许梅在谈谈标准宇宙模型”一文（本刊１９９６年第２期）中曾提到过大统一相变的问题，这就是说，现今宇宙间存在的四种相互作用：强力、弱力、电磁力及引力，按照热大爆炸学说，是逐一生成的。在宇宙创生期附近，宇宙间只有对称性极高的统一的一...