暗物質與暗能量Dark matter and dark energy

朱明中香港中文大學物理系

Science Magazine Breakthrough of the Year 2003

http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/302/5653/2038

‘Illuminating the Dark Universe’

‘Portraits of the earliest universe and the lacy pattern of galaxies in today's sky confirm that the universe is made up largely of mysterious dark energy and dark matter. They also give the universe a firm age and a precise speed of expansion.’

Science, Vol 302, Issue 5653, 2038-2039, 19 December 2003.

Shaw Prize in Astronomy 2006

• Saul Perlmutter, Adam Riess, and Brian Schmidt are awarded the Shaw Prize in Astronomy 2006 in recognition of their leadership roles on the two teams that made the remarkable discovery of an acceleration in the rate of the expansion of the universe. Such an effect had been known theoretically since shortly after Einstein applied his theory of general relativity to cosmology, but the general belief, including Einstein’s own assessment, was that the cosmological constant had no basis in reality. Thus, the 1998 announcement of the acceleration of the universe by the Supernova Cosmology Project and the High-z Supernova Search teams electrified the scientific community. The simplest interpretation, that the vacuum has energy even in the absence of matter and radiation, has profound implications that may revolutionize our understanding of the nature of the physical world and its ultimate fate. It is an achievement that is already taught to schoolchildren.

The Shaw Prize in Astronomy CommitteeThe Shaw Prize Foundation

http://www.shawprize.org/en/laureates/2006/astronomy/announcement/release.html

Starry starry night …

• 暗物質的發現• 暗物質是甚麼？有幾多？• 暗能量的發現• 在中大進行的相關研究

I. 暗物質的發現四大間接證據，兩個直接證據

暗物質的發現• 證據一 : 星系團

(galaxy cluster) 中星系 (galaxy) 的運動速度→星系團總質量

1. ma F M

如何 ?

我們的星系 - 銀河

太陽

Zwicky

2

escape velocity= 2 /

/ 2

v GM R

M v R G

2. 星系速度小於逃逸速度•Zwicky, Smith (1930s) 觀測室女座及后髮座星系團→星系團總質量遠大於發光質量

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap020203.html

后髮座星系團 Coma Cluster

Photo credit: O. Lopez-Cruz (INAOEP) et al., AURA, NOAO, NSF

>1000 光亮星系，密度最高之星系團

距離約二億八千萬光年

vR

室女座星系團 Virgo Cluster

Photo credit: Digitized Sky Survey, Palomar Observatory, STScI

最近地球之星系團 ( 六千萬光年 ) 。超過二千個星系。銀河系以每秒幾百公里速度被吸去。

5o 視角

M87

暗物質的發現證據二 : 星系自轉速度分佈 (galactic rotation curve)

v (r)

r

Photo credit: NASA/STScI

銀河 Milkyway 自轉r

r (kpc)

v (km/s)2

2

circular motion:

( )

( )( )

constant

( )

mv GM r m

r r

GM rv r

rv

M r r

推知銀河系質量延伸至三十至六十萬光年，但不發光 !

十萬光年

UGC9242 from Vogt et al.

http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses//astro201/rotcurve.htm

http://www.astro.queensu.ca/~dursi/dm-tutorial/rot-vel.html

NGC3198 from Begeman 1989

M/Mlum ~ 50

總質量約為可見質量五十倍

暗物質的發現證據三 : 星系碰撞 galaxy collisions – 物質→引力→ 物質分佈

銀河M31 仙女座星系

星系碰撞

暗物質的發現證據四 : 星系團熱氣體 – 普遍有大量熱氣體包圍星系團，溫度達一億度，放射 X 光，氣體總質量 > 恆星

Visible light

Radio

http://chandra.nasa.gov/ Photo Courtesy NASA

例 : 3C295

熱氣體質量約九倍恆星質量

Photo credit: NASA

X-ray

2M l.y.s

Photo credit: Chandra X-ray Observatory

http://chandra.harvard.edu/photo/2002/0150/

后髮座星系團 Coma Cluster

一百五十萬光年

X- 射線影像

氣體溫度約一億度

需有大量暗物質提供足夠引力

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap020203.html

暗物質的發現• 若沒有暗物質 :

• 包圍星系團的熱氣體會散失• 不會形成星系團• 星系碰撞過程不符觀測• 星系亦不能凝聚

除非長距離萬有引力不遵守牛頓定律 ! F ~ 1/r2

必須有大量暗物質才能由均勻演化出大小結構 !

暗物質的直接證據• 以重力透鏡效應 ( 質

量 / 重力扭曲光線 ) 觀測

橙色顯示質量 Picture by Tyson et al.

Abell 2218

光線扭曲 →重力分佈→質量分佈

星系團 1E 0657-556 ( 子彈星系團 )-由兩個星系團碰撞而成-紅色部份為熱氣體（ X- 光望遠鏡拍攝）-藍色是大部份質量所在（重力透鏡效應觀測）-暗物質沒有阻力→比熱氣體快

http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/galaxy/2006/39/image/a/

Credit: X-ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al.Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

暗物質的直接證據

II. 暗物質是甚麼 ? 有幾多？

暗物質分類• 普通暗物質 (baryonic dark matter): 由質子、中子、電子等組成，不放射可見光 - 如行星 (planets) 、棕矮星 (brown dwarfs) 、黑暗星雲 (dark nebulae) 、黑洞等 = MAssive Compact Halo ObjectS

• 非普通暗物質 (non-baryonic dark matter): - 如中微子 (neutrinos) 、軸子 (axions) 、及各種超對稱粒子 (supersymmetric partners) = Weakly Interacting Massive ParticleS

普通暗物質

行星、衛星本身不發（可見）光，但會放射及吸收紅外線等，是普通暗物質

月球

Taken by mcc in CUHK

Illustration by NASA/STSci

系外行星

http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2001/38/

非常普遍，但質量太小

棕矮星 (Brown dwarfs)

質量太小(<0.08Mo) ，不能持續核聚變→夭折的星體

數量太少

Photo credit: NASA/STScIhttp://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/1995/48/image/a

普通暗物質馬頭星雲 Horsehead Nebula – 黑暗星雲之一

Taken by mc2 in CUHK

黑暗星雲 (dark nebula) 是普通物質，放射紅外線、微波等，是普通暗物質

IC2944, photo credit: NASA/STScI

http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2002/01/

黑洞 - 恆星的屍體星系核心黑洞 :非常普遍，星系暈愈大，黑洞愈大

http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2000/22/

Photos credit: NASA/STScI

但黑洞質量<< 星系質量

人有我有…

http://www.mpe.mpg.de/www_ir/GC/

銀河核心黑洞

人馬座

天蝎座

Animation downloaded from:MBH ~ 2.6x106 Mo

• 普通暗物質遠遠不足夠解釋各種觀測→必須有非普通暗物質

有重力作用， 沒有強作用及電磁作用

不能靠電磁波（如光）觀測

再分為熱暗物質 (Hot Dark Matter = 質量小，速度高 ) 及冷暗物質 (Cold Dark Matter = 質量大，速度低 )

暗物質• 恆星物質只佔總質量百份之三，其餘為暗物質• 熱氣體等普通物質佔暗物質 14% ，其餘為非普通暗物質 ( 大部份為冷暗物質 CDM)

• 非普通暗物質理論多為未發現粒子，質量太大或相互作用太弱，所以未在加速器發現

III. 暗能量的發現

www.phy.cuhk.edu.hk

宇宙膨脹• 哈勃 (Edwin Hubble) 於一九二九年發現

• 廣義相對論必然後果

美國加州威爾遜山天文台 Mt. Wilson Observatory

哈勃定律

1929 1999

v =Hr 廣義相對論 → H 不是常數，會愈來愈小，因萬有引力會減慢宇宙膨脹速度。

宇宙歸宿 : 宇宙會否停正膨脹？

欲知未來還看過去

A, B, C 可由宇宙早期膨脹速率分辨

→觀測極遠星體

物質→重力→膨脹減慢

但一般很暗！

IA 類超新星• 由同一質量、結構的星體（白矮星）開始爆炸

• → 標準而明亮• → 適合作遠距離觀測• 以光譜及光度變化曲線驗證超新星類型• 比較視光度與絕對光度→距離 d• 光譜紅移→ 飛離速度 v• 伸延哈勃圖 (v vs. d) 至約一百億光年！

宇宙膨脹加速• 遠方超新星比宇宙均速膨脹暗三成• →膨脹加快， H 愈來愈大 (v = Hd)

• →真空斥力！暗能量！ →宇宙常數影響比物質大兩倍！

宇宙常數＝一生最大錯誤？以為宇宙常數是一生最大錯誤才是一生最大錯誤 !

愛因斯坦引入宇宙常數以抗衡萬有引力，企圖達至靜態宇宙

真空斥力？

＝宇宙常數？？

膨脹加速過時觀念

IV. 在中大的相關研究

我們的相關研究工作傻鏗 陳坤全陳文豪

李寶九梁寶建陳志宏 張啓聰

在中大的相關研究• 陳文豪 : 中微子星 (neutrino star) 可解釋大部份暗物質，提供適當引力維持星系、星系團、及星系團熱氣體

• 李寶九、張啟聰 : 多維宇宙 (1+3+d) 可解釋宇宙膨脹加速，不需引入宇宙常數，若 d > 3

• 陳志宏、張啟聰、梁寶建、陳坤全 : 宇宙微波背景輻射理論研究

• 李寶九、陳坤全 : 用宇宙學觀測規範早期宇宙物理

轉動速度

km/s

r ( kpc)

觀測數據

中微子星理論

→大部份黑暗物質 (dark matter) 為中微子？

中微子星 (Neutrino Star)

初步結論 : 中微子星穩定、極大而稀疏，可解釋星系自轉運動 !

→我們住在中微子星內？

中微子亦有重力作用 : 聚合成星球？

陳文豪

多維宇宙論• 時空是否只有四維？會否有其他空間維縮至很細小？

• 是否可能從宇宙學觀測而得知多餘空間維？

• 猜想 : 真空斥力由多餘空間維引起 !

• 把廣義相對論宇宙學理論推廣至 (1 + 3 + n) 維，看宇宙膨脹情況

宇宙膨脹歷史

a

t (109 yr)今天宇宙年齡 ~

130 億年

減速

加速

7; 0.62, 1.1, 0.27o mn h q

Li et al., CUHK

z

q

減速參數

2a a

qa a

Alam et al., MNRAS 354, 275 (2004).

z = 0: 今天 z > 0: 過去

超新星觀測數據 Alam et al. 中大理論

宇宙常數

紅移11z

a

加速

減速

w

z

暗能量物態方程

11z

a

eff eff/w P

Alam et al., MNRAS 354, 275 (2004).

超新星數據 Alam et al. 中大理論

Cosmological constant

中大宇宙論模型•廣義相對論＋ n 多餘空間維• 不需加入宇宙常數，基本上無自由參數• 解釋減速、加速、暗能量物態方程、宇宙年齡 ~ 130 億年 (n = 7)

• 多餘空間維不斷縮小• 多餘空間維於宇宙早期大很多 : 宇宙學觀

測 !以最大尺度的觀測，搜尋極小尺度的物理！

多餘空間維於宇宙早期急促收縮

Li et al., CUHK Preprint, 2005.

可見時空維不斷膨脹

暗物質與暗能量• 暗物質的發現• 暗物質是甚麼？有幾多？• 暗能量的發現• 在中大進行的相關研究

暗物質與暗能量Dark matter and dark energy

朱明中香港中文大學物理系