关于宇宙暗物质的文献检索综述论文

1.检索主题：宇宙暗物质

2.选择数据库：CNKI中国期刊全文数据库

3.检索项：

[主题：暗物质 ]并且[刊名：世界科学] 4.限制条件：时间：2005年~2009年

范围：核心期刊

匹配：模糊

5.检索结果：

宇宙暗物质

名字学号

（学校学院班级）

摘要：在宇宙学中,暗物质是一种既不反射光也不吸收光的物质粒子。它的电磁辐射放射和折射非常微弱,所以不能被直接探测到。它的存在只能通过与可见物质如恒星或星系的引力作用来间接地证明。暗物质假说可以用来解释天文观测中的一些异常现象,如星系旋转速度的异常,基于引力效应对宇宙中物质数量的估计通常暗示了宇宙中的总物质远远多于可见物质。暗物质同时可以解决大爆炸理论中的不自洽性,对结构形成也非常关键。暗物质是比可见物质更主要的宇宙组成部分。从引力效应发现宇宙中只有 4.4%的物质是可见的,而大约23%是由暗物质组成的。其余73%则被认为是由一种弥散的、可能不能被认为是通常粒子的奇怪成分——暗能量组成的。理解这些"失落"质量的本质是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。

关键词：大爆炸理论；电磁辐射；暗物质；现代宇宙学；反射光；异常现象；引力效应；物质粒子。

中图分类号：P145.9 文献标识码：A

前言：撰写本综述的原因：为了对检索出来的有关暗物质的信息进行合理的排序及说明。

目的：通过撰写本综述使得检索内容有条理性，并且通过该综述进一步了解有关宇宙暗物质的知识，让检索出来的信息清晰易懂。

意义：提升了些综述论文的水平，加深了对宇宙暗物质的了解，了解了检索的核心信息和，文献检索这一门课程的实质。

宇宙暗物质的学术背景：科学家首次描绘制出宇宙暗物质三维数字地图；天文学家2006年

公布了宇宙中存在暗物质的直接证据；

目前状况：最近今年产生了非重子的冷暗物质模型，并且又有认为无需暗物质也能解释宇宙膨胀的新的理论模型，此理论认为假设我们的宇宙空间不是均匀的，而我们所处的可观察到的宇宙是整体宇宙中正在急速膨胀的一个特殊部分。

正文：

爱因斯坦曾经有一句名言：“宇宙最不可理解的是它竟然是可以理解的！”自从爱因斯坦写下他的可以理解宇宙的方程以及做出关于“宇宙是可以理解的”这个惊异的发现至今已有近一百年。一百年来，我们继承着爱因斯坦的衣钵，以及其“宇宙可以认识”的信念，在认识宇宙的道路上行进。冒昧地揣测，爱因斯坦大概不会对于我们一百年的努力取得的成绩失望：建立了大爆炸宇宙学模型；对宇宙演化过程取得近乎标准化

的认识；精确测量出宇宙的物质组分等等(图1)。然而，即便有这样可喜的成绩，我们却还不能驻足观赏。只需看一下对于宇宙中物质组分的认识就可以明白还有多么艰巨的任务：构成星系恒星等我们所知道的普通物质(或者言之重子物质)占4%，暗物质占23%，暗能量占73%。换句话说，96%的宇宙成分还几乎不了解，这也就是为什么称之为“暗”物质和暗能量的原因。通常是通过观测光(这里的“光”指广义的电磁波辐射，即能够被仪器记录的电磁波也算在内)来认识遥远

的天体的，而暗物质和暗能量几乎不发光，所以很难直接看到它们。它们通过引力效应影响那些发光物质，间接地宣告其存在性。[1]

暗物质和暗能量就像两个自负的做了坏事的黑衣人，隐藏得很深却又故意露出一点蛛丝马迹，试图考察我们的破案能力。然而它们终究没有“暗”得完全不可捉摸，人们总会努力想到一些办法去捕捉和认识它们。在此我们可以稍微细致地来看看对于其中之一的暗物质的认识历程，现状以及前景。

1 宇宙暗物质特性

由2类自由流阻尼标度导出的天体、粒子质量和半径的计算式为[2]:

mi=AimN,ri=Ai 1A-1rpL=Ai 1rN. (1)

其中:mN表核子质量,取mN≈1 GeV;核子半径rN≈10-14cm;Planck大数A≈1019.天体取i-1,粒子取i

+1.此处只给出要用到的结果,对于中微子v0e,i取-12,则mv0e=A-12mN≈0.32 eV,rv0e=A-12rN≈10-24cm. (2)

在第2类自由流阻尼标度理论中,已把现时中微子归入暗物质.而中性微子-U0eB 是v0e的超对称伴子,因此-U0eB是宇宙早期的暗物质.而低温相到高温相将使粒子变重[3],例如现时质子质量约为1 GeV,已有实验迹象表明宇宙早期质子mp旱=1021eV=1012GeV,因此宇宙早期的m-U0eB≈320 GeV.这一结果与粒子的自然性法则一致,即

m-U0eB=AimN≈320 GeV,r-U0eB=1AirN≈3×10-17cm. (3)上述结果与实验给出的

质量基本相符,即mv0e

上限≈3.6 eV,mv0e

下限

≈(0.07±0.04) eV,m-U0eB≈350 GeV

至此,可以对暗物质的特性作出解释.

1.1堆砌宇宙的“暗物质”巨砖

由于观测分析得出最小的暗物质块相当于3 000万倍太阳的质量,即m暗≈3 000×104m⊙≈3×1064mN.(太阳质量m⊙≈A3mN). (4)而宇宙内可见的总质量为m 宇≈A4mN= 1076mN,暗物质约为可见物质的70/100,易得宇宙中暗物质的块数为1076mN×0.7/3×1064mN≈2.3×1011, (5)因为A4mN是由阻尼标度给出的宇宙质量最小值,故宇宙至少由如此众多的暗物质巨砖组成.

1.2暗物质是分布不均匀的高密度、高压物态

暗物质弥漫于整个宇宙,它的分布是不均匀的.以最小的暗物质块为例,易得m暗最小≈3×107m⊙≈3×1064mN,r暗最小≈103光年/2≈5.0×1020cm,ρ暗= 3×1064mN/(43πr3暗)≈5.7mH/cm3. (6)与实验给出的数量级相符.说明暗物质质量是高密度、高压物态.

不久前,人们观测到银河系内有氢气被暗物质压成扁层的事实.若暗物质与一般物质混合发生碰撞,虽然看不到暗物质,但反冲核物质可以用高精度的光学透镜

观测到,由实验迹象显示估计

暗

v≈0.001c(c为真空中光速).若取宇宙暗物质质

量为320 GeV,文献[4]算得

宇暗

v≈0.003c,两者相近.

1.3暗物质不是“冰冷的宇宙”淤泥

关于热暗物质与冷暗物质之争,前面提到的迹象显然支持热暗物质的观点.实验给出的迹象暗物质的温度高达万度.宇宙暗物质中性微子-U0eB形成于宇宙早期,

质量为320 GeV,随着宇宙演化,宇宙背景温度不断下降,高温到低温的相变将使

粒子的质量变小.如当宇宙背景温度下降到1013K时,则U0eB+-U0eB→PF+-PF的

过程可以发生,PF+-PF→U0eB+-U0eB的过程不能发生, (7)在此温标时,U0eB将比

PF粒子数少得很多很多.当温度下降到4 000 K时,把暗物质视为中性微子-U0eB

与中微子v0e的混合是合理的,且v0e比-U0eB多很多.若以(2)式给出的质量式

计算得出T暗最小= 0.32×10-6MeV×1.2×1010K/MeV= 3.84×103K,

T = 3.6×

暗最大

10-6×1.2×1010= 4.32×104K,

T =3.6+0.322×10-6×1.2×1010≈2.35×104K (8)与

暗平均

实验检测结果相符.暗物质不是“冰冷的宇宙”淤泥,它由-U0eB与v0e组成,不

是电子e和质子P+F组成的.它不发光,不发射红外线.

据以上讨论可见,在冷、热暗物质之争中,热暗物质是合理的,它是高温、高密物

态.与暗物质相应的暗能量则与宇宙命运密切相关,左右着宇宙演化的归宿[4].

2 暗物质、暗能量相互关联

以往的工作曾提出,大爆炸后的宇宙是背景光子热平衡态与引力束缚态共存的系

统.若热平衡态占优势,则宇宙必然膨胀,直到热平衡态遭到破坏,则宇宙在引力

束缚态作用下,由减速膨胀到收缩,直至坍塌.

光子有如下特性(传统认为mγ= 0,但实际上不为零)

mγ≈10-38mN≈10-62g,rγ≈10-52cm;Q= 0,I= 0,I3= 0,N= 0,L= 0,Y=N-L= 0.

(9)光子属玻色粒子,是I3= 0,即同位旋第3分量为零的单态粒子.

若认为决定宇宙归宿与超新星爆炸释放的暗能量有关,目前2个探索超新星的计

划ESSENCE和SNAP计划正在设计实施中,不久可望获得一些结论.在超新星爆炸

时可能释放出大量质量极微与失踪能量之谜有关,且有光子特性类似的“编外”

标量粒子单态. I0s([q1,q2]g);Q= 0,I= 0,I3= 0,N= 0,L= 0,Y= 0. (10)

(9),(10)式表述结构性的量子数完全相同,只是前者为玻色子(二体),后者为费

米子(三体).爆炸产生的高温、高能迫使宇宙加速膨胀,使星系与星系之间保持距

离.若I0s([q1,q2]g)俘获g-g对,则有

I0s([q1,q2]g)+g-g→v0e(q1gg)+-U0eB(q2-g). (11)

可见暗能量是具有类似光子特性的费米型标量粒子,质量极小,放出能量巨大,迫

使宇宙加速膨胀,起到“反引力”的作用,使星系保持距离.且宇宙正是由v0e和

-U0eB构成的暗物质巨砖堆砌而成.(11)式指出了暗能量暗物质是彼此密切相关

的.暗能量的行为可用特征参量W表征[8],

即 W=-1,表反引力是不变的常数,

W=-1 ~ 0,表反引力随时间变化,

W<-1,宇宙加速膨胀. (12)

英国学者考德威尔(Robert Caldwell)讨论了在W<-1的极端条件下,得到宇宙最

终将发生“大分裂”,且将发生在220亿年之后.此工作所用超新星数据W略小于

-1.是否确实如此?尚不能作出结论.另一种意见认为超新星爆炸不会永远发生下

去,总有枯竭之时,则暗能量的反引力效果将逐渐受到削弱,宇宙将从加速到减速

膨胀,直到反引力向引力发生转折,宇宙从膨胀转化为收缩,最终坍塌.林德(AndreiLinde)用更多一些的超新星数据作了计算,得到宇宙最终不是大分裂,而

是大坍塌,并将发生在180亿年以后.作为估计,从氢原子结合成氢分子以来,背景辐射的温度(包含暗能量)约从4 000 K降到目前的3 K,大约用了200亿年,即使是平均下降,每年约平均下降

ΔTa≈2×10-7K. (13)

从目前的3K到光子热平衡态继续削弱以至破坏,热平衡态(包含光子、暗物质)的反引力效果不断减弱,

反引力与引力发生转折,热平衡破坏的温标约为10-25K.当然在此过程中每年下降的温标要比(13)式小得多,若再少2 ~ 3个量级,则从现在到宇宙大坍塌还有t现-坍=32×10-9(或-10)= 1.5×(109~ 1010) = (15 ~ 150)亿年, (14)

150亿年与林德的结果比较接近.

最终如何?尚待实验证实.

结语：

从综述研究中结论：宇宙是由众多的暗物质巨砖组成；暗物质是分布不均匀的高密度、高压物态；暗物质不是“冰冷的宇宙”淤泥。

本研究的意义：加深了对宇宙中暗物质的特性，物理性质的了解，能够正确理解暗物质，和暗物质在宇宙当中的地位和作用。并了解有关暗物质最新动态。

存在的意见分歧：是否有暗物质? 暗物质是什么？暗物质存在什么地方? 暗物质在宇宙中的作用是什么？等都存在着意见分歧。

待解决的问题：DAMA暗物质试验追踪问题；引力的量子化问题；是否能找到以及怎样找到暗物质的问题；暗物质在宇宙中有和地位的问题；冷、热暗物质之间的异同。

有关暗物质的研究发展方向和发展前景：所有的空间探测器和卫星都会有微小的轨道偏差，这是由暗物质的引力造成的。如果能够发现暗物质的性质，那么空间探测器和太空飞船就能精确地沿计算好的轨道运行；进一步发现并且获得暗能量解决能源问题；

参考文献

[1]袁强.暗物质[J]. 航空知识.2006(07)

[2]焦善庆,许弟余,龚自正,等.编内与“编外”粒子的超对称性及某些奇异观象[J].西南交通大学学报.2005.40(5):616-620

[3] CERN COURIER.理论物理在积蓄力量[C].北京:中国科学院高能物理研究所,1999:47-50

[4]焦善庆,许弟余,龚自正.暗物质、暗能量对宇宙未来命运的影响[J].云南大学学报:自然科学版,2006,28(4):316-318