暗物質(zhì)暗能量探測路線圖致密天體與彌漫介質(zhì)研究團(tuán)組國家天文臺課件

1、中科院高能所 張新民亞奧國際酒店 2012年10月15-16日,“星系團(tuán)和宇宙學(xué)”過去和現(xiàn)狀綜述 (II) -----宇宙 和（中國）宇宙學(xué)研究的 過去、現(xiàn)在和未來報(bào)告提綱： I） （過去所取得）成就：精確宇宙學(xué) (中國科學(xué)家貢獻(xiàn)） II）（現(xiàn)在和未來）

2、挑戰(zhàn)：(暗物質(zhì)、暗能量探測路線圖） 1）暗能量探測 (reconstructing w(z) ) 2）暗物質(zhì)探測 （cold & warm WIMPs) 3）微波背景

3、輻射（CMB）極化 （B-mode) 4）中微子宇宙學(xué) 5) 宇宙學(xué)理論研究,(國際）宇宙學(xué)研究概況：,自上個(gè)世紀(jì)末，宇宙學(xué)研究取得了一系列重大的進(jìn)展：精確宇宙學(xué)1992年：COBE衛(wèi)星 宇宙微波背景輻射觀測 (2006年諾獎(jiǎng)）

4、 溫度漲落 Inflation 開啟“精確宇宙學(xué)”時(shí)代的大門1998年： 超新星（SN ）觀測 宇宙加速膨脹 暗能量 （2011年諾獎(jiǎng)） 2000年 ：BoomeranG 、Maxima 宇宙微波背景輻射觀測 平坦宇宙

5、2003年：WMAP 衛(wèi)星 宇宙微波背景輻射觀測 （+ SDSS，SN。。） （2010年邵逸夫獎(jiǎng)， Gruber 獎(jiǎng)， Nobel Prize?）==〉精確宇宙學(xué)：本世紀(jì)前十年十大科學(xué)成就 （Insights of the Decade） 十年的“精確宇宙學(xué)”研究成就了

6、 2011 度和 2006年度 的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！,精確宇宙學(xué)和中國科學(xué)家的貢獻(xiàn) 本世紀(jì)首個(gè)十年即將結(jié)束之際，《科學(xué)》雜志的新聞記者和編輯潛心審視了進(jìn)入新千年以來的那些改變科學(xué)面貌的進(jìn)步，評選

7、出了十項(xiàng)科學(xué)成作為“本十年卓見” （Insights of the Decade）。精確宇宙學(xué)：在過去十年中，研究人員非常精確地推測出 宇宙物質(zhì)的成分是普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量。同時(shí)， 他們闡述了將這些成分組成宇宙的方法。這些進(jìn)展將宇宙學(xué)轉(zhuǎn)變成為 一種有著標(biāo)準(zhǔn)理論的精確科學(xué)，而留給其他理論的活動空間已十分狹小。二方面成就：1）宇宙學(xué)觀測 ：（見楊小虎報(bào)告, 已充分肯定）

8、 2）宇宙學(xué)理論 ： Einstein 引力 + 宇宙學(xué)原理 + （線性）擾動理論 （ Nobel Prize？） ===〉（程序化）CMBFAST， CAMB， CosmoMC G

9、ruber 獎(jiǎng)：2008年 Bond； 2000年 Peebles； 。。。。 中國人的貢獻(xiàn)：不可忽視 ！??！ 詳見： “21世紀(jì)第二個(gè)十年的宇宙學(xué)” 研討會報(bào)告

10、 北京溫都水城國際酒店 2011年3月18-19日,（精確宇宙學(xué)和）中國宇宙學(xué)研究回顧（簡介）,I）科技部“973” 項(xiàng)目： 21世紀(jì)天體物理重大問題：星系形成和演化； 首席科學(xué)家：陳建生 “宇宙學(xué)模型” 課題組，組長：武向平、張新民 成果舉例： Quintom 理

11、論 （ 2004年，張新民等；引用　630次；《Phys Repts 》專題綜述 ） 。。。。。。II） 基金委重點(diǎn)項(xiàng)目： 宇宙暗能量研究：首席：朱宗宏；成員：范祖輝、陳學(xué)雷、張新民 成果舉例：完成100多篇論文；LAMOST, DOME-A 暗能量探測可行性研究 。。。。。。III）院“創(chuàng)新工程”項(xiàng)目： 一期：粒子宇宙學(xué) 二期：高能天

12、體物理：星系團(tuán)、黑洞物理和早期宇宙； 首席：武向平、張雙南、張新民 三期：依托國內(nèi)大科學(xué)裝置的粒子物理、核物理和宇宙學(xué)的前沿理論研究 首席：鄒冰松、張新民 宇宙學(xué)方面：暗能量研究課題組長：陳學(xué)雷 暗物質(zhì)研究課題組長：畢效軍

13、 理論研究課題組長：蔡榮根 成果舉例：提出“暗物質(zhì)暗能量探測路線圖：上天入地到南極　（錦屏暗物質(zhì)地下實(shí)驗(yàn)；　　　　　　　　　　　　　　空間小衛(wèi)星暗物質(zhì)探測；南極暗能量探測）”　　　　　　　 方向性項(xiàng)目：暗物質(zhì)、暗能量理論及實(shí)驗(yàn)探測可行性研究；　首席：吳岳良、張新民,5,精確宇宙學(xué) 和 WMAP (2010年邵逸夫獎(jiǎng)， 2012年

14、Gruber 獎(jiǎng)， Nobel Prize?) （近期綜述：李虹、李明哲、范祖輝、張新民， “WMAP 和精確宇宙學(xué)”）　WMAP：2001年6月 升空 2003年2月 公布第一年結(jié)果 （當(dāng)年世界十大科技進(jìn)展之首） (e-Print: astro-ph/0302209 [astro-ph] , Astrophys.J.Suppl. 148 (2003) 175-194 ;

15、引用：6589次） 2006年3月 公布三年結(jié)果 2008年3月 公布五年結(jié)果 2010年1月 公布七年結(jié)果 （ e-Print: arXiv:1001.4538 [astro-ph.CO] ，Astrophys.J.Suppl. 192 (2011) 18 ；引用：3038 次） WMAP 部分重要結(jié)果：

16、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《－－－（＊）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《－－－（＊＊）　注：WMAP結(jié)果結(jié)合了其他觀測（LSS+SN)和分析方法，包括中國人的?！　　≈匾晒骸　。? 暗能量擾動新方法；首次整體擬合測定 (w_0, w_a);　（張新民　等）　 2. 用極化測量旋轉(zhuǎn)角并檢驗(yàn)CPT；（張新民　等）　 3.　CMB 數(shù)

17、據(jù)分析（李惕碚　等）,精確宇宙學(xué),Ｉ. 過去十余年宇宙學(xué)研究的重大成就　　　　　　　　＝＝＝〉　國內(nèi)外宇宙學(xué)家的驕傲 II. 　宇宙學(xué)研究新挑戰(zhàn)：　　　　　什么是暗能量？　　　　　　　　什么是暗物質(zhì)？　　　　　。。。。。重大科學(xué)問題：“兩暗一黑三起源”在新世紀(jì)，各國都積極規(guī)劃、部署。。。?！鴥?nèi)： 暗物質(zhì)暗能量研究受重視； 支持力度大大的加強(qiáng)；　　　　　暗物質(zhì)暗能量探測路線圖---》各種規(guī)化 中強(qiáng)調(diào)， 各類項(xiàng)目資助

18、?！栴}：　面對激烈國際競爭，５～１０年后將如何？出（一流）科學(xué)成果？　　　　　　　　　　　　繼續(xù)追趕？占一席之地？主導(dǎo)，領(lǐng)導(dǎo)地位？,暗能量特征：負(fù)壓；不結(jié)團(tuán)。 不同理論模型預(yù)言不同的 狀態(tài)方程 w 的演化,2）Quintessence (精質(zhì)): w > -1,→,1） 宇宙學(xué)常數(shù)： w = -1,=====? w 隨紅移變化， 但是 w > -13) Phantom (幽靈):

19、 w < -14) Quintom (精靈）： w crossing -1 實(shí)際上，只有這4 種大的分類,首要任務(wù)： 測定 w(z),w(z) 不能直接觀測， 是個(gè)被推導(dǎo)出來的量 (標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)理論模型） 2）天文觀測量： SN： 光度距離 LSS：功率譜 CMB

20、： 溫度角功率譜， 極化 。。。。。。。GRB, WL ……3）w(z) 參數(shù)化 （目的： 可行性； 減少參數(shù)。。。） i） w=w_0+w_1 z (for small z) ii）w(z) = w_0 + (1-a) w_a ========〉

21、 = w_0 + w_a z/(1+z)數(shù)值計(jì)算，整體擬合分析,Current status in determining the EoS of dark energy,,G. Zhao and X. Zhang Phys.Rev.D81:043518,2010,,Results: 1) Current data has constrained a lot of t

22、he theoretical models; 2) Cosmological constant is consistent with the data; 3）dynamical models are not ruled out; quintom scenario mildly favored；,,WMAP7 E. Komatsu et al.

23、 e-Print: arXiv:1001.4538,SNLS3，e-Print: arXiv:1104.1444,G. Zhao, H. Li, E. Linder, K. Koyama, D. Bacon, XZhang arXiV: 1109.1846 Sep 2011 with WMAP7+Union2.1+BAO+…,暗能量探測研究展望,國內(nèi)： I）2004年9月9日: “暗能量研究和探測可行性”專題研討會

24、 高能所，理論所、國家天文臺、上海天文臺、紫金山天文臺聯(lián)合主辦 LAMOST 暗能量研究：張新民，趙永恒，褚耀泉，范祖輝，陳學(xué)雷。。。。。,II) 2008年11月26日： 暗物質(zhì)暗能量探測路線圖 “上天， 入地 到 南極” 院創(chuàng)新三期方向性重點(diǎn)項(xiàng)

25、目（高能所， 國臺， 紫臺， 上海臺， 理論所。。）+ 院外合作+國內(nèi)外合作 +理論實(shí)驗(yàn)天文觀測合作 III）近年大量工作 (天籟計(jì)劃、空間站）。。。。。。,國外：,暗能量探測計(jì)劃,Large Synoptic Survey Telescope,Wide Field Infr

26、ared Survey Telescope,南極光學(xué)近紅外巡天望遠(yuǎn)鏡,Euclid,BigBOSS,天籟計(jì)劃,空間站大光學(xué)平臺,~2020,11,LAMOST 探測 暗能量 ？,FAST 探測暗能量？,暗能量研究時(shí)間表,LSST、Euclid……能解決暗能量問題嗎？ 什么算解決了？ * 整個(gè)問題解決需要很

27、長時(shí)間，但階段性成果也很重要 （注意：1998年前，宇宙學(xué)常數(shù)問題已多年）類似：舊量子論---〉量子力學(xué)----〉量子場論 ----〉 漫長但每一步都很重要，可能突破?。?！ 要充分肯定！ 2011年諾獎(jiǎng)：暗能量領(lǐng)域的第一個(gè)諾獎(jiǎng)！ 第二個(gè)（？） 近十年目標(biāo)：發(fā)現(xiàn)動力學(xué)或確定宇宙學(xué)常數(shù)==〉

28、 即 Einstein 還是 非 Einstein ?! （當(dāng)然確定哪一個(gè)動力學(xué)模型需更長時(shí)間） 目前: (w_0, w_a) O(10%) ===〉重要成果 不久將來： O(1%)===〉重大成果 中國空間站暗能量研究預(yù)期----〉,

29、趙公博等 To appear inPhys. Rev. Lett.,發(fā)現(xiàn)動力學(xué)暗能量證據(jù) ~ 2.5 sigma,帶來了希望：~5-10年內(nèi)更高置信度上發(fā)現(xiàn)動力學(xué)暗能量 (注：CMB 溫度漲落 COBE 發(fā)現(xiàn)，WMAP 證實(shí) --〉 不同的意義） SN

30、+ CMB（Planck）+ LSS（BOSS，eBOSS, DES)關(guān)注并更加重視：i) 充分挖掘LAMOST、FAST潛力； ii）中小型、近期出成果的項(xiàng)目； iii）加強(qiáng)國際合作，早出科學(xué)成果。,====〉,Li，Zhao et al.,國內(nèi)暗能量相關(guān)工作

31、 （近期綜述：張新民、陳學(xué)雷： 暗物質(zhì)、暗能量研究進(jìn)展 及中國的機(jī)遇 《中科院院刊》2011 . 26（5）),1) 利用各種天文觀測、整體擬合、研究暗能量： （高能所：李虹、張新民等；北大：范祖輝等；清華：陶嘉琳；

32、 國臺：陳學(xué)雷等；北師大：朱宗宏、張同杰。。。。）2）GRB 宇宙學(xué)： （南大：戴子高；陸埮等；北大：范祖輝；高能所：張雙南，李虹等； 北師大：朱宗宏等。。。）3）修改引力： （上海臺：張鵬杰；國臺：趙公博 等 。。。。。）4）系統(tǒng)誤差、分析方法帶來的誤差分析： （國臺：詹虎；北大：范祖輝 ；清華：陶嘉琳 ；

33、 高能所：李虹、張新民等）,暗物質(zhì)和 WIMPs (重質(zhì)量弱相互作用粒子） (近期綜述：C. Frenk and S. White: “Dark matter and cosmic structure

34、”; e-print: arXiv: 1210.0544),I）暗物質(zhì)證據(jù)：============〉 （冷的, 還是溫的？）II）暗物質(zhì)粒子： WIMPs (weakly interacting massice particles,

35、 such as Neutralino ) (重質(zhì)量弱相互作用粒子） WIMPs 暗物質(zhì)粒子尋找： ~10年將發(fā)現(xiàn)，否則將放棄,I）冷暗物質(zhì)的模型：理論

36、上大量數(shù)值模擬；在星系及更大的尺度上大量觀測數(shù)據(jù)的支持； 熱產(chǎn)生WIMPs =====? 冷暗物質(zhì)II）近期危機(jī)：亞星系（sub－galactic）尺度上，溫暗物質(zhì)模型可能能夠更好解釋觀測數(shù)據(jù) （景益鵬，高亮，陶嘉琳等）

37、 非熱產(chǎn)生WIMPs =====? 溫暗物質(zhì) （張新民等）,Cold & Warm WIMPs,(cold & warm) WIMPs 暗物質(zhì)粒子探測方法,對撞機(jī):

38、 LHC直接探測 DAMA, CDMS 。。。 （錦屏暗物質(zhì)地下實(shí)驗(yàn)）間接探測 空間：Pamela, ATIC, FERMI, AMS, (紫臺小衛(wèi)星；我國空間站) 地面：H.E.S.S, （我國：羊八井。。。）,1）cold or warm WIMPs ===? 暗物質(zhì)間接探測信號不同,“天文+

39、粒子”緊密結(jié)合對解開暗物質(zhì)之謎至關(guān)重要,袁強(qiáng)等,2）暗物質(zhì)空間分布（天文）對 WIMPs（粒子）探測 至關(guān)重要 假設(shè)：如果 “地球附近”沒有暗物質(zhì)， 探測將。。。。。？ =======〉LAMOST （and FAST) 暗物質(zhì)研究計(jì)劃,19,C

40、MB極化 （Detection of B mode)1964年：發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射（1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）1992年： COBE 衛(wèi)星 （2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)） 開啟“精確宇宙學(xué)”時(shí)代大門2001年：WMAP 衛(wèi)星 精確宇宙學(xué)CMB 極化測量：DASI， WMAP， QUaD， BICEP 。。。?！?=== E modeB Mode Detection

41、 意義重大: i) 探測 張量擾動； 直接檢驗(yàn)Inflation, Bounce Cosmology; ii) 檢驗(yàn) CPT 對稱性。 目前旋轉(zhuǎn)角測量狀況 ---------〉 3 sigma detectionCMB 觀測： DOME-A； 與QUBIC （the QU bolometric interfer

42、ometer for cosmology) 合作？,夏俊卿等,中微子宇宙學(xué),1）探測 relic neutrino， 像CMB 一樣，非常重要；2）中微子實(shí)驗(yàn)近年取得大的進(jìn)展： 中微子振蕩===〉 中微子有質(zhì)量； 大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)（ <15年就取得了重大成果?。?大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)二期;3）有質(zhì)量中微子是自然的暗物質(zhì)粒子，但是

43、 Hot Dark Matter =====? 宇宙學(xué)限制； 目前，“總質(zhì)量” 小于 ~0.3 --- 0.8 eV Detection with Euclid ……4) Leptogenesis ====?反物質(zhì)丟失之謎；5）中微子暗能量理論 （張新民等，Ann Nelson 等）；6) Sterile neutrino as warm

44、 dark matter.,宇宙學(xué)理論研究,1) Inflation 模型： Gruber 獎(jiǎng)：2004年 Alan Guth、Andrei Linde 但是：inflation dynamics? Model? 2) 暗能量理論：Quintom （近期綜述：蔡一夫等 Phys. Repts.) Holographic DE, Ag

45、egraphic, Ricci DE; …..暗物質(zhì)理論：間接探測方面的理論（Boost factor) 取得重要成果； (高能所：畢效軍、張新民等；理論所：周宇峰、吳岳良等） 國臺：秦波；北大：朱守華 。。。。。。。。。

46、 4) 大爆炸宇宙模型奇點(diǎn)問題：Quintom bounce & cyclic universe Quintessence ?------? Inflation Quintom ?-----? Bounce (Cyclic) Cosmology,報(bào)告總結(jié)和思考,

47、1）過去十余年宇宙學(xué)研究重大成就：精確宇宙學(xué)； 中國科學(xué)家（理論）作出了重要的貢獻(xiàn)。2） 暗物質(zhì)暗能量是重大科學(xué)前沿問題， 將帶來天文、物理學(xué) 的一場革命； “高能+天文”、“粒子+宇宙學(xué)” 交叉研究重大意義， 過去十年我國“創(chuàng)新文化建設(shè)”一個(gè)重大成果。3） 我國抓住了機(jī)遇， 規(guī)劃了路線圖； 啟動了多種暗物質(zhì)暗能量（國內(nèi)+國際合作）項(xiàng)目。