第29卷 第1期 吉首大学学报(自然科学版)V ol.29 N o.1 2008年1月Journal of Jish ou University(Natural S cience Edition)Jan.2008
文章编号:1007-2985(2008)01-0054-04
暗物质暗能量的性质与相互关联Ξ
焦善庆1,许弟余2,龚自正3
(1.西南交通大学理学院物理系,四川成都 610031;2.四川职业技术学院物理系,四川遂宁 629000;
3.中国空间技术研究院总装与环境工程部,北京 100094)
摘 要:最近英国学者据帕拉纳尔天文台的观测数据分析,对宇宙暗物质暗能量研究取得了一些进展.若认为宇宙暗物
质是费米型中微子v0
eF 及其超对称伴子中性微子 U0
eB
组成,则据天体演化的2类自由流阻尼标度给出的质量、半径计算式,总
结出暗物质特性,结果与观测基本相符,支持热暗物质说,同时也讨论了暗物质与暗能量的相互关联.
关键词:暗物质;暗能量;中微子;中性微子;自由流阻尼标度;超对称
中图分类号:O572.32 文献标识码:A
最近,英国剑桥吉尔摩研究组对帕拉纳尔天文台的实验观测数据分析,给出暗物质特性[1]:即使最小的一块暗物质其直径约为103光年,质量相当于太阳质量的3000万倍,宇宙是由这些看不见的“暗物质巨砖”堆砌而成.暗物质分布是不均匀的,在太阳周围的密度ρ暗≈1Π3m
H
/cm3,ρ暗,最大≈4m H/cm3(m H为氢原子质量),它弥漫于整个宇宙,总质量为现在全部恒星系总质量的5倍以上.暗物质不是“冰冷的宇宙”淤泥,其温度达万度.热的物质都会发光,发出红外线,但暗物质不会发光,因此它不是由电子和质子组成.
暗物质(尚未了解的粒子)和暗能量(让星系与星系保持距离)之间存在某种关系.什么原因使两者在量上非常相似,不可能是巧合,两者之间一定有某种关联.人们认为大质标的玻色型粒子———中性微子可能是暗物质粒子,实验正在开发之中,估计可能在能标为350G eV左右发现[2].据自由流阻尼标度理论及粒子的自
然性法则[3-4],得到“中性微子”的质量m U0
eB ≈320G eV,中微子质量m
v
e
≈0.32eV.m
v
e
实验上限为3.6eV[5],
下限为(0.07±0.04)eV[6]. U0eB是v0e的超对称伴子,由于低温相到高温相相变使粒子变重[7],据此估算了暗物质的有关性质.暗物质与暗能量都与超新星爆炸有关,特征参量W决定着暗能量“引力”和“反引力”之间的转化,主导着宇宙是大分裂还是大坍塌.从文献[8]分析看,暗物质与暗能量之间确有一定的关联.
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[3]:
m i=A i m N,r i=A i 1A-1r p L=A i 1r N.(1)其中:m
N表核子质量,取m N≈1G eV;核子半径r N≈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-1
2
,则
Ξ收稿日期:2007-11-28
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40474033)
作者简介:焦善庆(1928-),男,云南南涧人,西南交通大学理学院物理系教授,主要从事理论物理教学与研究.
通讯作者:许弟余(1947-),男,四川遂宁人,四川职业技术学院物理系教授,主要从事近代物理学教学与研究.
m v 0
e =A
-12m N ≈0.32eV ,r v 0e =A -12r N ≈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 U 0eB 是v 0e 的超对称伴子,因此 U 0eB 是宇宙早期的暗物质.而低温相到高温相将使粒子变重
[7],例如现时质子质量约为1G eV ,已有实验迹象表明宇宙早期质子m p 旱=1021eV =1012G eV ,因此宇宙早期的m U 0eB ≈320G
eV.这一结果与粒子的自然性法则一致,即
m U 0eB =A i m N ≈320G eV ,r U 0eB =1
A i r N ≈3×10-17cm.(3)
上述结果与实验给出的质量基本相符,即
m v 0
e 上限≈3.6eV [5],m v 0
e 下限≈(0.07±0.04)eV [6],m U 0eB ≈350G
eV [2].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3000万倍太阳的质量,即
m 暗≈3000×104m ⊙≈3×1064m N .(太阳质量m ⊙≈A 3m N ).
(4)而宇宙内可见的总质量为m 宇≈A 4m N =1076m N ,暗物质约为可见物质的70/100,易得宇宙中暗物质的块数
为
1076m N ×0.7/3×1064m N ≈2.3×1011,(5)
因为A 4
m N 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 ⊙≈3×1064m N ,
r 暗最小≈103光年/2≈5.0×1020
cm ,ρ暗=3×1064m N /(43
πr 3暗)≈5.7m H /cm 3.(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v 暗≈0.001c (c 为真空中光速).若取宇宙暗物质质量为320G eV ,文献[8]算得v 宇暗≈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 U 0eB 形成于宇宙早期,质量为320G eV ,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[7].如当宇宙背景温度下降到1013K 时,则
U 0eB + U 0eB →P F + P F 的过程可以发生,P F + P F →U 0eB + U 0eB 的过程不能发生,
(7)在此温标时,U 0eB 将比P F 粒子数少得很多很多.当温度下降到4000K 时,把暗物质视为中性微子 U 0eB 与中微
子v 0e 的混合是合理的,且v 0e 比 U 0eB 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 暗最大=3.6×10
-6×1.2×1010=4.32×104K,T 暗平均=3.6+0.322×10-6×1.2×1010≈2.35×104K (8)
与实验检测结果相符.暗物质不是“冰冷的宇宙”淤泥,它由 U 0eB 与v 0e 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[8].
5
5第1期 焦善庆,等:暗物质暗能量的性质与相互关联
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≈10-38m N≈10-62g,rγ≈10-52cm[3];Q=0,I=0,I3=0,N=0,L=0,Y=N-L=0.(9)光子属玻色粒子,是I
3
=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[4,9]
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I0
s ([q
1
,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v0
e和 U 0
eB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(R obert 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(Andrei Linde)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4000K降到目前的3K,大约用了200亿年,即使是平均下降,每年约平均下降
ΔT
a≈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=
3
2×10-9(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.
参考文献:
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[9] 焦善庆,唐 敏.焦-宫亚夸克模型中的粒子新族系[J ].云南工学院学报,1990,11(2):46-49.
The Properties of Dark M atter and Dark energy and Their Correlation
J I AO Shan 2qing 1,X U Di 2yu 2,G ONG Z i 2zheng 3
(1.Department of Physics ,Science C ollege ,S outhwest Jiaotong University ,Chengdu ,S ichuan ,610031,China ;2.Department of
Physics ,S ichuan V ocational and T echnical C ollege ,Suining ,S ichuan ,629000,China ;3.Department of
Integration &S pacecraft Environment ,C AST ,Beijing ,100094,China )
Abstract :Recently s ome progress has been made on the study of dark matter and dark energy in the universe by British scientists on the basis of analysis of the observational datums by Paranal Observatory.I f the dark matter in the universe is regarded as being made up of Fermi ty pe neutrin o v 0eF and its supersymmetry com panion ,neutralin o U 0eB ,the characteris 2tics are calculated according to the mass formula and the radius formula given by the dam ping scale of free currents of tw o classes of celestial b ody ev olution and the results basically tally with observations ,which supports the theory of h ot dark matter.The correlation between the dark matter and the dark energy is als o discussed.
K ey w ords :dark matter ;dark energy ;neutrin o ;neutralin o ;free current dam ping scale ;supersymmetry
(责任编辑 陈炳权)(上接第25页)
V ersal U nfolding of Equivariant Bifurcation Problems w ith P arameter Symmetry
C UI Deng 2lan 1,2
(1.C ollege of Mathematics and C om puter Science ,Hunan N ormal University ,Changsha 410081,China ;2.Sch ool of Mathematical Science and C om puting T echn ology ,Central S outh University ,Changsha 410083,China
)Abstract :The un folding of equivariant bifurcation problems with parameter symmetry under a subgroup of left 2right equivalence group is discussed.Necessary and su fficient conditions for an un folding of such a bifurcation problem to be trivial and to be versal are given respectively.
K ey w ords :equivariant bifurcation problem ;left 2right equivalence group ;versal un folding
(责任编辑 向阳洁)7
5第1期 焦善庆,等:暗物质暗能量的性质与相互关联