暗物质和暗能量

中科院高能所张新民亚奥国际酒店2012年10月15-16日“星系团和宇宙学”过去和现状综述(II)-----宇宙和（中国）宇宙学研究的过去、现在和未来报告提纲：I）（过去所取得）成就：精确宇宙学(中国科学家贡献）II）（现在和未来）挑战：(暗物质、暗能量探测路线图）1）暗能量探测(reconstructingw(z))2）暗物质探测（cold&warmWIMPs)3）微波背景辐射（CMB）极化（B-mode)4）中微子宇宙学5)宇宙学理论研究(国际）宇宙学研究概况：自上个世纪末，宇宙学研究取得了一系列重大的进展：精确宇宙学1992年：COBE卫星宇宙微波背景辐射观测(2006年诺奖）温度涨落Inflation开启“精确宇宙学”时代的大门1998年：超新星（SN）观测宇宙加速膨胀暗能量（2011年诺奖）2000年：BoomeranG、Maxima宇宙微波背景辐射观测平坦宇宙2003年：WMAP卫星宇宙微波背景辐射观测（+SDSS，SN。。）（2010年邵逸夫奖，Gruber奖，NobelPrize?）==〉精确宇宙学：本世纪前十年十大科学成就（InsightsoftheDecade）十年的“精确宇宙学”研究成就了2011度和2006年度的诺贝尔物理学奖！精确宇宙学和中国科学家的贡献本世纪首个十年即将结束之际，《科学》杂志的新闻记者和编辑潜心审视了进入新千年以来的那些改变科学面貌的进步，评选出了十项科学成作为“本十年卓见”（InsightsoftheDecade）。精确宇宙学：在过去十年中，研究人员非常精确地推测出宇宙物质的成分是普通物质、暗物质和暗能量。同时，他们阐述了将这些成分组成宇宙的方法。这些进展将宇宙学转变成为一种有着标准理论的精确科学，而留给其他理论的活动空间已十分狭小。二方面成就：1）宇宙学观测：（见杨小虎报告,已充分肯定）2）宇宙学理论：Einstein引力+宇宙学原理+（线性）扰动理论（NobelPrize？）===〉（程序化）CMBFAST，CAMB，CosmoMCGruber奖：2008年Bond；2000年Peebles；。。。。中国人的贡献：不可忽视！！！详见：“21世纪第二个十年的宇宙学”研讨会报告北京温都水城国际酒店2011年3月18-19日（精确宇宙学和）中国宇宙学研究回顾（简介）I）科技部“973”项目：21世纪天体物理重大问题：星系形成和演化；首席科学家：陈建生“宇宙学模型”课题组，组长：武向平、张新民成果举例：Quintom理论（2004年，张新民等；引用630次；《PhysRepts》专题综述）。。。。。。II）基金委重点项目：宇宙暗能量研究：首席：朱宗宏；成员：范祖辉、陈学雷、张新民成果举例：完成100多篇论文；LAMOST,DOME-A暗能量探测可行性研究。。。。。。III）院“创新工程”项目：一期：粒子宇宙学二期：高能天体物理：星系团、黑洞物理和早期宇宙；首席：武向平、张双南、张新民三期：依托国内大科学装置的粒子物理、核物理和宇宙学的前沿理论研究首席：邹冰松、张新民宇宙学方面：暗能量研究课题组长：陈学雷暗物质研究课题组长：毕效军理论研究课题组长：蔡荣根成果举例：提出“暗物质暗能量探测路线图：上天入地到南极（锦屏暗物质地下实验；空间小卫星暗物质探测；南极暗能量探测）”方向性项目：暗物质、暗能量理论及实验探测可行性研究；首席：吴岳良、张新民5精确宇宙学和WMAP(2010年邵逸夫奖，2012年Gruber奖，NobelPrize?)（近期综述：李虹、李明哲、范祖辉、张新民，“WMAP和精确宇宙学”）WMAP：2001年6月升空2003年2月公布第一年结果（当年世界十大科技进展之首）(e-Print:astro-ph/0302209[astro-ph],Astrophys.J.Suppl.148(2003)175-194;引用：6589次）2006年3月公布三年结果2008年3月公布五年结果2010年1月公布七年结果（e-Print:arXiv:1001.4538[astro-ph.CO]，Astrophys.J.Suppl.192(2011)18；引用：3038次）WMAP部分重要结果：《－－－（＊）《－－－（＊＊）注：WMAP结果结合了其他观测（LSS+SN)和分析方法，包括中国人的。重要成果：１.暗能量扰动新方法；首次整体拟合测定(w_0,w_a);（张新民等）2.用极化测量旋转角并检验CPT；（张新民等）3.CMB数据分析（李惕碚等）精确宇宙学Ｉ.过去十余年宇宙学研究的重大成就＝＝＝〉国内外宇宙学家的骄傲II.宇宙学研究新挑战：什么是暗能量？什么是暗物质？。。。。。重大科学问题：“两暗一黑三起源”在新世纪，各国都积极规划、部署。。。。国内：暗物质暗能量研究受重视；支持力度大大的加强；暗物质暗能量探测路线图---》各种规化中强调，各类项目资助。问题：面对激烈国际竞争，５～１０年后将如何？出（一流）科学成果？继续追赶？占一席之地？主导，领导地位？暗能量特征：负压；不结团。不同理论模型预言不同的状态方程w的演化2）Quintessence(精质):w-1→1）宇宙学常数：w=-1=====w随红移变化，但是w-13)Phantom(幽灵):w-14)Quintom(精灵）：wcrossing-1实际上，只有这4种大的分类首要任务：测定w(z)1)w(z)不能直接观测，是个被推导出来的量(标准宇宙学理论模型）2）天文观测量：SN：光度距离LSS：功率谱CMB：温度角功率谱，极化。。。。。。。GRB,WL……3）w(z)参数化（目的：可行性；减少参数。。。）i）w=w_0+w_1z(forsmallz)ii）w(z)=w_0+(1-a)w_a========〉=w_0+w_az/(1+z)4)数值计算，整体拟合分析CurrentstatusindeterminingtheEoSofdarkenergyG.ZhaoandX.ZhangPhys.Rev.D81:043518,2010Results:1)Currentdatahasconstrainedalotofthetheoreticalmodels;2)Cosmologicalconstantisconsistentwiththedata;3）dynamicalmodelsarenotruledout;quintomscenariomildlyfavored；WMAP7E.Komatsuetal.e-Print:arXiv:1001.4538SNLS3，e-Print:arXiv:1104.1444G.Zhao,H.Li,E.Linder,K.Koyama,D.Bacon,XZhangarXiV:1109.1846Sep2011withWMAP7+Union2.1+BAO+…暗能量探测研究展望国内：I）2004年9月9日:“暗能量研究和探测可行性”专题研讨会高能所，理论所、国家天文台、上海天文台、紫金山天文台联合主办LAMOST暗能量研究：张新民，赵永恒，褚耀泉，范祖辉，陈学雷。。。。。II)2008年11月26日：暗物质暗能量探测路线图“上天，入地到南极”院创新三期方向性重点项目（高能所，国台，紫台，上海台，理论所。。）+院外合作+国内外合作+理论实验天文观测合作III）近年大量工作(天籁计划、空间站）。。。。。。国外：LargeSynopticSurveyTelescopeWideFieldInfraredSurveyTelescope南极光学近红外巡天望远镜EuclidBigBOSS天籁计划空间站大光学平台~202011LAMOST探测暗能量？FAST探测暗能量？暗能量研究时间表•LSST、Euclid……能解决暗能量问题吗？什么算解决了？*整个问题解决需要很长时间，但阶段性成果也很重要（注意：1998年前，宇宙学常数问题已多年）类似：旧量子论---〉量子力学----〉量子场论----〉漫长但每一步都很重要，可能突破！！！要充分肯定！2011年诺奖：暗能量领域的第一个诺奖！第二个（？）近十年目标：发现动力学或确定宇宙学常数==〉即Einstein还是非Einstein?!（当然确定哪一个动力学模型需更长时间）目前:(w_0,w_a)O(10%)===〉重要成果不久将来：O(1%)===〉重大成果中国空间站暗能量研究预期----〉赵公博等ToappearinPhys.Rev.Lett.发现动力学暗能量证据~2.5sigma带来了希望：~5-10年内更高置信度上发现动力学暗能量(注：CMB温度涨落COBE发现，WMAP证实--〉不同的意义）SN+CMB（Planck）+LSS（BOSS，eBOSS,DES)关注并更加重视：i)充分挖掘LAMOST、FAST潜力；ii）中小型、近期出成果的项目；iii）加强国际合作，早出科学成果。====〉Li，Zhaoetal.国内暗能量相关工作（近期综述：张新民、陈学雷：暗物质、暗能量研究进展及中国的机遇《中科院院刊》2011.26（5）)1)利用各种天文观测、整体拟合、研究暗能量：（高能所：李虹、张新民等；北大：范祖辉等；清华：陶嘉琳；国台：陈学雷等；北师大：朱宗宏、张同杰。。。。）2）GRB宇宙学：（南大：戴子高；陆埮等；北大：范祖辉；高能所：张双南，李虹等；北师大：朱宗宏等。。。）3）修改引力：（上海台：张鹏杰；国台：赵公博等。。。。。）4）系统误差、分析方法带来的误差分析：（国台：詹虎；北大：范祖辉；清华：陶嘉琳；高能所：李虹、张新民等）暗物质和WIMPs(重质量弱相互作用粒子）(近期综述：C.FrenkandS.White:“Darkmatterandcosmicstructure”;e-print:arXiv:1210.0544)I）暗物质证据：============〉（冷的,还是温的？）II）暗物质粒子：WIMPs(weaklyinteractingmassiceparticles,suchasNeutralino)(重质量弱相互作用粒子）WIMPs暗物质粒子寻找：~10年将发现，否则将放弃I）冷暗物质的模型：理论上大量数值模拟；在星系及更大的尺度上大量观测数据的支持；热产生WIMPs=====冷暗物质II）近期危机：亚星系（sub－galactic）尺度上，温暗物质模型可能能够更好解释观测数据（景益鹏，高亮，陶嘉琳等）非热产生WIMPs=====温暗物质（张新民等）Cold&WarmWIMPs(cold&warm)WIMPs暗物质粒子探测方法•对撞机:LHC•直接探测DAMA,CDMS。。。（锦屏暗物质地下实验）•间接探测空间：Pamela,ATIC,FERMI,AMS,(紫台小卫星；我国空间站)地面：H.E.S.S,（我国：羊八井。。。）ccDirectdetectionccpe+ng_1）coldorwarmWIMPs===暗物质间接探测信号不同“天文+粒子”紧密结合对解开暗物质之谜至关重要袁强等2）暗物质空间分布（天文）对WIMPs（粒子）探测至关重要假设：如果“地球附近”没有暗物质，探测将。。。。。？=======〉LAMOST（andFAST)暗物质研究计划19CMB极化（DetectionofBmode)1964年：发现宇宙微波背景辐射（1978年诺贝尔物理学奖）1992年：COBE卫星（2006年诺贝尔物理学奖）开启“精确宇宙学”时代大门2001年：WMAP卫星精确宇宙学CMB极化测量：DASI，WMAP，QUaD，BICEP。。。。《====EmodeBModeDetection意义重大:i)探测张量扰动；直接检验Inflation,BounceCosmology;ii)检验CPT对称性。目前旋转角测量状况---------〉3sigmadetectionCMB观测：DOME-A；与QUBIC（theQUbolometricinterferometerforcosmology)合作？:0.057degPLANCK夏俊卿等中微子宇宙学1）