1、xxxxx 大学本科毕业论文宇宙暗物质学生姓名： xxx 院系名称： 物理与电子工程学院专业名称： 物理学班 级： 学 号： 指导教师： xxxx 大学教务处二 OO 八年五月宇宙暗物质学生:xxx 指导老师:xxx内容提要：20 世纪末，天体物理学的一个新成就证实 ,各种化学原素或中子、质子的质量总和不超过宇宙总质量的 1/10 ,而 9/10 的质量则是另外的物质贡献的，这种物质就是暗物质。所谓暗物质是指宇宙中存在的一种不明性质的物质粒子，它的电磁放射和折射非常微弱，所以不能被直接探测到。十几年来，宇宙暗物质已成为天体物理，粒子物理和宇宙学的交叉热点。本文将探讨暗物质的概念急研究背景，研究
2、动态，存在的证据，发展的趋势及意义。研究暗物质将有助于我们认识宇宙，推测宇宙的过去及未来发展。关键词：宇宙暗物质 暗能量 引力透镜 三维立体图the dark matter in the universeAbstract: End of the 20th century, a new astrophysics achievements confirm that the various chemical elements or neutron, proton the quality of the universe does not exceed the sum total mass of 1 /
3、 10, 9 / 10 the quality of the material is another contribution to this Kind of material is dark matter. The so-called dark matter in the universe there is a unknown nature of the material particles, the electromagnetic radiation and reflects very weak and therefore can not be directly detected. Mor
4、e than 10 years ago, the universe of dark matter has become astrophysics, particle physics and cosmology of the cross-hot. This article will explore the concept of dark matter urgent research background, research developments, the existing evidence, the trend of development and its significance. Stu
5、dy of dark matter will help us understand the universe, the universe of speculation the past and future development.Key words: Cosmic dark matter dark energy gravitational lensthree-dimensional map目 录1、暗物质的概念及研究背景 .11.1 宇宙暗物质的研究背景 .11.2 宇宙暗物质的概念 .12、暗物质研究动态 .22.1 暗物质的提出 .22.2 暗物质存在的可能的早期证据 .22.3 暗物质
6、存在的直接证据 .42.4 宇宙暗物质的三维图 .72.5 暗物质的新近研究 .83、研究暗物质的意义 .10参考文献 .111宇宙暗物质宇宙由各种物质组成，科学家对物质有一定的分类，其中有一种物质科学家命名为暗物质，通常称宇宙暗物质。各种化学原素或中子、质子的质量总和不超过宇宙总质量的 1/10 ,而 9/10 的质量则是宇宙暗物质贡献的。宇宙暗物质既然是宇宙的主要成分，则对宇宙暗物质的研究，了解对我们的生活有着极大的作用，那么什么是宇宙暗物质呢？它有着什么样的作用，下面我们将一一说明。1、暗物质的概念及研究背景1.1 宇宙暗物质的研究背景20 世纪末 ,天体物理学的一个新成就证实 ,各种化
7、学原素 或中子、质子 的质量总和不超过宇宙总质量的 1/10 ,而 9/10 的质量则是暗物质贡献的. 所谓的暗物质是指除了常见的星球、星系、星系团、类星体、等等发光及反射光的天体外 ,原则上它们自身不仅不能发光 ,而且也不会反射、折射或散射光 ,亦即对各种波长的光 ,它们都是百分之百的透明体 【1】 .这是当前宇宙论研究中的一个重要热点 .在宇宙中是否还存在不发光物质、不发光的天体？这似乎是不成问题的问题。例如，在太阳的周围有 9 大行星，有月亮这类的卫星。这些行星或卫星自身并不发光，它们仅能反射光。其实，所谓发光物质只不过是这种暂时不发光的物质处在高温、高压环境的状态而已。所以，在宇宙中是
8、否存在不发光物质的问题，似乎是这些会发光物质所存在的状态的问题，问题是它们在宇宙中所占有的比重如何？如果把宇宙中存在于不发光状态的常见物质，如质子、中子、电子等占发光状态的比重问题，仅仅归结为在其他星系中是否存在着行星、卫星等，那还不是十分重要的问题。因为 9 大行星加上可能的彗星，其总质量还不到太阳的 1，更为重要的是处在不发光状态的常见物质，是否在总质量上比发光的星体多一个量级，还是他们只占微不足道的分量，或是彼此差不多，如此等等。因为这涉及天体或星系团演化的基本规律。而更为重要的问题是，宇宙中是否除质子、中子、电子等“会“ 发光的物质以外，还存在着在原则上就不会发光的物质，或者说，它们自
9、身不仅不能发光，而且也不会反射、折射或散射光，亦即对各种波长的光，它们都是百分之百的透明体！它们就是神秘的暗物质。 1.2 宇宙暗物质的概念暗物质是人们看不见的物质。虽然看不见,但科学家认为它确实存在,而且其质量大约占宇宙所有质量的 90。这是科学家根据万有引力定律而确认的。 【2】所谓暗物质是指宇宙中存在的一种不明性质的物质粒子，它的电磁放射和折射非常微弱，所以不能被直接探测到。 【3】 但是，我们肉眼能见的物质如星系、恒星甚至各种生物，所占质量只是宇宙中很小一部分，暗物质的质量是可见的普通物质质量的 5 倍以上。 暗物质（包括暗能量）被认为是宇宙研究中最具挑战性的谜题，它代表了宇宙中 90
10、以上的物质含量，而我们可见的世界只占宇宙物质的 10不到。暗物质无法 直接观测，却能干扰星体发出的光波或引力等，其存在能被明显感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但还没有得到足够的验证。 2在过去数年，科学家发现宇宙似乎充满着不是一种而是两种看不见的成分暗物质和暗能量，它们占了宇宙整个物质构成的绝大部分，根据最新的估计，在宇宙构成中，暗能量占 75%，暗物质占 23%，常规物质和能量只占2%. 20 世纪 70 年代，天文物理学家为解释星系的运动提出，一类看不见的粒子存在于星系周围，这类粒子随后被称为“暗物质”。根据天文观察资料，科学家们估计宇宙中暗物质有常规物质的 10 倍之多。对
11、暗物质的一种解释是，它们是由一类新的粒子“弱相互作用大质量粒子”（简称 WIMP）组成的，这种粒子不能发光，并和常规物质几乎不发生相互作用。迄今科学家们已做了大量实验来搜寻这类粒子存在的证据。1998 年以来，为解释宇宙加速膨胀运动，一些科学家又提出“暗能量”概念，认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。揭示宇宙中这两种“黑势力”之谜成为了当前宇宙学的最大一个热点。美国范德比尔特大学理论物理学家罗伯特谢勒日前提出一个新模型，把这两个谜缩减为一个，即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面。罗伯特谢勒认为：“思考这个问题的一个方式是：宇宙充塞着一种看不见的流体，这种流体会对常规物
12、质施加压力，并改变宇宙扩张的方式2、暗物质研究动态2.1 暗物质的提出它的存在首先是由弗里茨兹威基（Fritz Zwicky）在 1938 年提出的。这位美籍瑞士天文学家经过观测发现，邻近星系之间相互间的引力要远远大于根据对组成这些星系的恒星观测数据而计算出的引力由此，他推断星系中存在着大量无形的物质。如果没有这种物质，引力就无法将有形的物质聚集，那么构筑了宇宙的众多星系就无法形成，至少在大爆炸剧本设定的时间内无法形成。简单地说：没有暗物质，就没有星系。如今，绝大多数的天文学家都同意他的观点，认为这种所谓的“暗物质”是确实存在的。然而它存在的唯一表现只有引力干扰，除此之外，任何天文望远镜的宏观
13、观测和任何粒子加速器的微观研究都未能揭示其真实的性质。它到底是极微小的恒星？还是黑洞？抑或是无形的星云？应该都不是，否则人类通过这 30 多年的努力应该能够发现它的一些蛛丝马迹。或许它是一种质量巨大然而无影无形的粒子流？也许吧，反正到目前为止没有任何粒子加速器能够复制这种粒子那么，到底该如何签别它呢？人们之所以无法接受对它毫不了解的现实，是因为这种“暗物质”的影响极其巨大它能够将一个星系的质量增加到其可见部分质量的近百倍。这可不是个小数字！因此，现在有一部分科学家正在进行反思，他们认为有关暗物质的问题有可能是一种“ 伪问题” ，人们应该摆脱它的束缚，去对大爆炸理论的一些支柱比如引力规律，加以重
14、新审视。2.2 暗物质存在的可能的早期证据初发现暗物质可能存在的证据是大约 75 年前，天体物理学家发现了在一群相互作用的星系间发生了气怪的现象，这些星系中的一些天体以极高的速度运动，而这些星系只有比其观测值重几百倍，所产生的万有引力才能束缚住这些天体。大约 65 年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的 100 倍以上，否则星系团根本无3法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了 80 年代，占宇宙能量密度大
15、约 20%的暗物质以被广为接受了。在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括 4%的普通物质和 96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。 许多宇宙论学家认为，宇宙中会有占 90以上暗物质的存在。如果宇宙中存在着那种原则上不能发光的非常见物质的暗物质，那么，
16、宇宙中包含的暗物质的多少，就决定了或至少是影响了宇宙是封闭宇宙还是开放宇宙。所谓封闭式的宇宙，就是指现今的宇宙膨胀达到相当长的一个时间后（例如 800 亿年） ，会由于万有引力使宇宙由膨胀而收缩，这又称为振荡式的宇宙；如果宇宙膨胀速度超过万有引力所引起的阻力，而无限地膨胀下去，这就称为开放式宇宙。可见暗物质对宇宙的影响是非常大的。暗物质可能有两种形态，一种称为热暗物质，即在宇宙形成物质世界时期，暗物质的候选者仍然保持其相对论性粒子状态；另一种称为冷暗物质，即在宇宙形成物质世界时期，暗物质的候选者已经是非相对论性的粒子。这两者将在宇宙演化过程中起着不同的作用，但都不能没有。如何探索、寻找和研究已
17、被天文观测所证实的暗物质？这是 21 世纪科学的又一难题。超对称、超引力等理论 参见百科知识1981 年第 1 期理论物理的前景一文 【4】 ,预言了许多新的粒子.它们都不是重子 ,它们大都不参与电磁作用 ,或只有很弱的电磁作用 ,因而不发光或不容易发光 ,是暗的; 它们大都只参与很弱的相互作用 ,不可能在现今的实验室里发现它们. 所有这些 ,都很符合暗物质的性质. 因而 ,也许宇宙间的暗物质正是由这些粒子组成的. 位于美国伊利诺伊州的费尔米国家推进器实验室的天体物理学家斯特多德尔森说：“我们可以非常准确地预测太阳和地球的运动，但测量更远距离的天体时，异常就出现了。暗物质是存在这种异常的最佳解
18、释，但是目前为止我们还没有确切的证据来证明暗物质的存在”。另一个可能的证据是暗物质导致光的弯曲，这就好像一束光线在从空气射入水中时会发生折射一样。大质量的天体，例如太阳，就可以使传播的光线发生弯曲，反物质星云可能会在太空中制造出一个“泡泡”，使得其后方恒星或星系射来的光线被放大、扭曲甚至复制。不久前科学家们对“子弹星系团”进行观测时发现了引力折射现象，使得对反物质的探索又前进了一步。为了得到更为确切的证据，科学家们希望发现并捕获一些反物质粒子，但是目前为止一切还停留在理论阶段。科学家们一直看好中微子这种粒子，它的质量很微小，同时不易于同物质发生作用。科学家们希望能够捕获大质量的中微子，以证明先
19、前的理论，为寻找反物质指明道路。尽管暴胀宇宙论对暗物质问题提出了非常有趣的假说，但从天文观测的角度说，这一可能存在有暗物质的假说，只不过是理论学家们的推测，在天文观测上并没有给出坚实的基础。但是，近来，在 10 米的天文望远镜上进一步观测远河外星云，测出其中的氘核和氢核的丰度的比值比过去所知的数值约大了4一倍以上。从这一数值中已经可以确定在星系四周的“晕“ 中，必定有非常见物质形态形成的暗物质！这是和暴胀宇宙论假定无关的，而仅由天文观测值所直接得出的结论。就是说，宇宙中存在着暗物质，已是确凿无疑的事情。2.3 暗物质存在的直接证据最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着
20、差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性研究带来新的曙光。俄罗斯新闻网于 2007 年 9 月 7 日 20 时(北京时间 9 月 8 日 1 时)消息，俄罗斯与意大利科学家目前正在尝试借助“资源 DK”系列卫星潜入神秘的宇宙暗物质世界，该卫星由萨马拉火箭航天中心(即原来的“ 进步” 中央特种设计局)研制。9 月 7 日，俄罗斯联邦宇航局的官方代表维亚切斯拉夫-达维坚科向外界宣称， “资源”卫星计划于 2005 年 4 月在拜科努尔航天发射场由 “联盟-M”号运载火箭发射升空。他还表示：“俄罗斯
21、和意大利共同实施的这一探索工程名为罗马-帕梅拉(Rome-Pamela)，其目的是在原始的宇宙辐射条件下研究近地轨道中的反粒子流、电子流及各种轻核同位素流”。据该探索项目的俄方负责人阿尔卡迪-加利佩尔表示：“该科研项目指在解决以下基本问题：揭示暗物质的性质、银河系宇宙辐射的产生和扩散、地球磁层中的高能粒子物质” 。据俄通社 -塔斯社报道的消息称，本次研究将在 “帕梅拉”磁谱分析仪的帮助下进行。据科学家杂志报道，美国亚利桑那大学的天文学家小组，用“钱德拉”射线天文望远镜，观测了距太阳系亿光年处船底座两个星系团的碰撞、融合的过程。星系碰撞融合后形成了气态云团，然而科学家们却发现融合后的重力场的中心
22、并不在气态云团(物质)中，这表明重力的来源另有其因，那就是“暗物质”。剧烈的碰撞造成了物质同与其附着的暗物质相互剥离，从而出现了重力场与可见物质脱离的罕见现象。而在通常情况下，物质和暗物质是混合在一起，同地存在的。 科学家对重力场的观测是利用了“引力透镜”现象。领导这一研究的亚利桑那大学天文学家道格拉斯克罗说，以可见光波段观测这个区域，可以发现明显的“ 引力透镜” 现象，也就是更遥远地方恒星发出的光在“路过”这个区域时，在强大引力作用下发生了扭曲。而科学家观测发现的，恰恰是引力场与物质的分离。这直接表明了暗物质的存在。 新华网洛杉矶 07 年月日电（记者陈勇）一个美国天文学家小组日说，他们通过
23、美宇航局的“钱德拉”射线太空望远镜等设备观测遥远星系的碰撞，发现了宇宙暗物质存在的最直接证据 【5】 。 图 1：自大爆炸以来最剧烈的一次星系团碰撞形成的子弹气团(图片来源：搜狐) 5图 2：发生在子弹气团中的剧烈碰撞。产生的炽热气体中包括大多数常态物质（红色部分显示）和暗物质（蓝色部分显示）。(图片来源：搜狐)“钱德拉”X 射线观测望远镜拍摄到存在宇宙暗物质的新证据，在“钱德拉”拍摄的编号为 NGC 720 遥远星系 X 射线照片上，可以清楚地看到其周围的炽热气体云团（见图 1）。但是该气团的取向并不与星系自身的取向一致，这从利用可见光谱拍摄的照片中可以看（图 2）。NGC 720 星系位于
24、离开地球约8000 万光年的地方。 天文学家认为，对气体云团奇特外形的解释只有一个：它被暗物质所围绕，否则气体云团应该膨胀。这表明，暗物质并非是为了消除引力理论某些缺陷的假想概念，而是真实存在的物质状态。根据物理学引力理论，没有暗物质，星系应坍塌成几部分，而恒星就会沿完全不同的轨道运转。6图 3：NGC 720 星系在星空中的位置 图 4：NGC 720 星系 X射线照片（左）和可见光谱照片（右）美国约翰斯霍普金斯大学下属的太空望远镜研究所，借助 3 年前安装在“哈勃”太空望远镜上的“先进测绘照相机”，观察到更远处星系发出的光在两个星系簇中 的暗物质干扰下产生的引力透镜现象，进而通过计算机模拟
25、，得到了暗物质的分布图。这两个正在诞生中的星系簇位于南部天穹中，距地球约70 亿光年，各拥有约 400 个星系（图 3）。所谓引力透镜现象，是指当光在经过具有引力的天体附近时，会像通过凸透镜一样发生弯曲。从理论上说，暗物质也会造成引力透镜现象，但其效果非7常微弱，只有“先进测绘照相机”这样的高灵敏度观测设备才能拍摄到，而地面的天文望远镜会因为大气干扰难以看清。 研究人员将这一成果发表在 2005 年版的天体物理杂志上。论文第一作者、韩裔助理研究员池溟国博士说，他们得到的图像清楚地显示出，我们可见的物质 （即观测到的两个星系簇）是在暗物质的网络包围中，处于暗物质最密集的地方，就好比海浪顶端的泡沫
26、。他们认为，这支持了暗物质和可见物质会在引力作用下聚 集到一起的猜想，即暗物质集中的地方会吸引可见物质，从而帮助恒星、星系和星系簇的形成（图 4）。分布图还显示暗物质是聚成一簇簇地密集存在。研究人员据此认为，这验证了暗物质粒子是“非碰撞粒子”的假设，即暗物质粒子如果碰到一起，不会像分子、原子 等经典粒子那样发生反弹，而会“若无其事”地继续原先的运动。他们解释说，如果暗物质粒子彼此发生碰撞，那么它们在频繁碰撞后就会分布比较均衡，而不是密集成簇。 科学家早就得到共识：广袤的宇宙是由暗物质、暗能量以及我们人类能感知到的正常物质组成，其中正常物质最少，只占 4，暗物质其次，占有 23的比例，其 余都是
27、暗能量。顾名思义，暗物质是人类无法看到的物质，科学家虽然早就断定暗物质以及由暗物质组成的星系的存在，却一直没有发现它们，更不知道他们究竟是 由哪些粒子组成的。因此，这次发现实际上是揭开了宇宙一个大秘密，是一次重大的发现数十年来，天文学家虽然已经熟知星系中的可见恒星因为本身没有足够的地心引力使其聚集在一起，必须依靠大量的暗物质才能使其达到平衡，但是科学家们却无法将这些暗物质定位或者进行描述。最流行的一种理论认为：暗物质中含有大量的外来粒子，这些粒子与正常的物质之间没有任何作用力，只能靠地心引力才能相互发生作用，并且这种粒子移动缓慢，其本身也是冷的。在过去的三年中，Gilmore 和他的研究小组利
28、用大型望远镜所得到的观测数据确定了银河周围 10 个小星系中的数千个恒星的位置和运行速度。计算结果表明：在每个星系中都有同样体积的暗物质，其尺寸大约为 1000 光年，平均密度相当于每立方厘米 4 个氢原子。新的结果显示小星系中心的暗物质比我们想象中的数量更多、温度更高，粒子的速度大约为 9km/s。Gilmore 还认为：暗物质中的这些粒子通过某种未知的力量相互作用从而均匀地向外延伸，暗物质中粒子本身的性质是物理学的最大秘密之一。2.4 宇宙暗物质的三维图继去年 8 月科学家发现宇宙暗物质存在的直接证据后，2007 年 1 月，欧洲和美国的科学家又利用相同的技术，在最新一期自然杂志上发表了他们为宇宙暗物质绘出的三维图 【6】 。（图 5）
