暗物质与暗能量的探索

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1、2010.0（下旬刊）摘要本文试图通过对宇宙学说中的暗物质与暗能量的理论界定进行文献整理，从前人的研究文献中结合个人观点对暗物质与暗能量进行理论界定与文献探讨，利用爱因斯坦的宇宙引力理论和天文学的宇宙论对标准模型的暗物质粒子理论整理，从暗物质与暗能量的联系出发阐述其与人类的关系。关键词天文学宇宙天文学物理论随着天文学与宇宙学说研究的不断深化，不少天文学家利用了天文物理学与宇宙学说中的不明物质暗物质和暗能屋进行了宇宙模型建设。随着广义相对论的不断完善，对于宇宙的演化，不但要依靠动力学方程，还要通过大量观测

2、积累数据，通过构造模型来解释观测结果、推断过去和预言未来。在上世纪末的二十多年里，以天文观测和物理规律为基础的宇宙学理论己经可靠地确立了，它被学术界认为是20世纪最重要的科学成就之一。尤其近十年来宇宙学已成为国际上最前沿的热点研究领域。本文试图通过前人的理论研究來对宇宙中的暗物质与暗能量理论进行整理。1H首物质和暗能量的界定和溯源按忖前科学界普遍接受的观点，宇宙时空正是从一个奇点爆炸出來的，这个模型我们称为标准宇宙模型Z大爆炸模型（big-bangmodel）o从这个模型出发，很好地解释了宇宙膨胀（即哈

3、勃膨胀，1929年哈勃对河外星系的视向速度与距离关系进行的研究）、微波背景辐射的存在及具谱线（即3K背景辐射，1964年彭齐亚斯和威尔逊发现）。这其中经过了漫长的发展过程,20世纪90年代初COBE卫星对宇宙微波背景辐射的观测，1998年以来对高红移超新星的精确观测，特别是2003年美国WMAP卫星对宇宙微波背景辐射测量数据的公布，这些天文学观测都极人地推动了理论的发展。随着越來越多、越來越精确的天文观测，宇宙学进入了“精确"时代，人类迎來了宇宙学的黄金时期。理解宇宙的起源、演化和最终的命运不再是人类遥

4、不可及的梦想，人们已经到了能够精确构造一个宇宙演化模型的时候了。我们认为在宇宙世界屮，暗宇宙可以划分为两个不同的成分，暗物质与喑能量。从历史文献中记载的模式來看，结合超新星观测的数据，将引力理论与负引力理论引入模型，从而利用参数化流行建立一个参数化暗能量动力模型。其次，利用多参数的哈勃参量，构造一个数据与模型统一的多参数喑物质与喑能屋统一模型。最后建立一个基于广义上的有限制条件的Chpalygni气体模型。从而我们将两个模型统一，计算出暗能量态参数和减速因子。进一步的分析，我们描述了宇宙从减速膨胀到加速

5、膨胀的转变，并解释其原因，从而肯定了暗能量的存在。此外，这两个模型都否定了宇宙未來大劈裂的命运。2标准模型的暗物质粒子理论近年大量的天文观测支持爆炸模型(idation)+暗物质(darkmatter)+喑能M(darkener)这样一个宇宙模型，宇宙11】普通物质(主要是重子物质)，即发光物质不到5%,喑物质约22%,暗能量约片73%[1]o当人们感叹于这些精确数据的获得、这些激动人心的发现(如宇宙的加速膨胀)的时候，对于理论物理学家而言，面临的是极人机遇和挑战。关于暗物质的发现与研究，虽然已有20年

6、以上的历史，甚至在上世纪30年代就出现了暗物质这个概念，但对于它的物理性质至今尚不清楚。宇宙的暗物质是现代天体物理学与理论物理学的核心问题Z-,是笼罩在20世纪末和21世纪初现代科学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次重大变革。关于宇宙屮暗物质与暗能量统一模型的理论研究，而天文学特别是宇宙学是暗物质存在的唯一见证者。大量不可视物质的存在是Zwicky于1973年首先从星系团(cluster)中发现的⑵,后来对于天狼星视曲线的测量把星系(galaxy)包括我们的银河系置于一个巨人的暗物质晕(halo)之中

7、，特别是结合宇宙动力学测量与人爆炸宇宙学理论，人们知道宇宙中有90%以上的物质可能是不发光的喑物质，故而，暗物质决定了宇宙大尺度结构、星系团以及星系的形成、演化和命运。目前流行的看法是宇宙中的绝人部分暗物质是非相对论性的(norlielatvisitic),即冷暗质(colddarkmatetr)。冷暗物质为主的宇宙中，小尺度扰动优先增长，先成星系，通过引力作用逐级成团形成星系团和超星系团等(由小到大)。冷喑质在小尺度上与观测符合得很好，能够解释星系内物质分布，星系旋转曲线以及星系关联函数等。现在物理学

8、家们认为，暗物质极有可能是一种或儿种超出标准模型Z外的粒子，如像neutralino这样的弱相互作用的人质量粒子(WIMP)、极轻的轴子(Axoin)以及引力微子(Grvatiino)等冷暗物质粒。根据物理学的定义，暗物质是至今人类无论用什么方法也看不见的，只可以通过引力感觉到它的存在。相对于暗物质，科学家们也预言并证实了暗能量的存在。3暗物质与暗能量的联系我们认为宇宙中的物质占绝人部分的不是发光物质，而是处在星系周围晕(halo)之中的暗