“星系团和宇宙学”过去和现状综述 (II) -----宇宙 和（中国）宇宙学研究的 过去、现在和未来 报告提纲： I） （过去所取得）成就：精确宇宙学 (中国科学家贡献） II）（现在和未来）挑战：(暗物质、暗能量探测路线图） 1）暗能量探测 (reconstructing w(z) ) 2）暗物质探测 （cold & warm WIMPs) 3）微波背景辐射（CMB）极化 （B-mode) 4）中微子宇宙学 5) 宇宙学理论研究 中科院高能所 张新民 亚奥国际酒店 2012年10月15-16日

(国际）宇宙学研究概况： 自上个世纪末，宇宙学研究取得了一系列重大的进展：精确宇宙学 2011 度和 2006年度 的诺贝尔物理学奖！ 1992年：COBE卫星 宇宙微波背景辐射观测 (2006年诺奖） 温度涨落 Inflation 开启“精确宇宙学”时代的大门 1998年： 超新星（SN ）观测 宇宙加速膨胀 暗能量 （2011年诺奖） 2000年 ：BoomeranG 、Maxima 宇宙微波背景辐射观测 平坦宇宙 2003年：WMAP 卫星 宇宙微波背景辐射观测 （+ SDSS，SN。。） （2010年邵逸夫奖， Gruber 奖， Nobel Prize?） ==〉精确宇宙学：本世纪前十年十大科学成就 （Insights of the Decade） 十年的“精确宇宙学”研究成就了 2011 度和 2006年度 的诺贝尔物理学奖！ 2

精确宇宙学和中国科学家的贡献 本世纪首个十年即将结束之际，《科学》杂志的新闻记者和编辑潜心 审视了进入新千年以来的那些改变科学面貌的进步，评选出了十项科学成作为 “本十年卓见” （Insights of the Decade）。 精确宇宙学：在过去十年中，研究人员非常精确地推测出 宇宙物质的成分是普通物质、暗物质和暗能量。同时， 他们阐述了将这些成分组成宇宙的方法。这些进展将宇宙学转变成为 一种有着标准理论的精确科学，而留给其他理论的活动空间已十分狭小。 二方面成就：1）宇宙学观测 ：（见杨小虎报告, 已充分肯定） 2）宇宙学理论 ： Einstein 引力 + 宇宙学原理 + （线性）扰动理论 （ Nobel Prize？） ===〉（程序化）CMBFAST， CAMB， CosmoMC Gruber 奖：2008年 Bond； 2000年 Peebles； 。。。。 中国人的贡献：不可忽视 ！！！ 详见： “21世纪第二个十年的宇宙学” 研讨会报告 北京温都水城国际酒店 2011年3月18-19日

（精确宇宙学和）中国宇宙学研究回顾（简介） I）科技部“973” 项目： 21世纪天体物理重大问题：星系形成和演化； 首席科学家：陈建生 “宇宙学模型” 课题组，组长：武向平、张新民 成果举例： Quintom 理论 （ 2004年，张新民等；引用　630次；《Phys Repts 》专题综述 ） 。。。。。。 II） 基金委重点项目： 宇宙暗能量研究：首席：朱宗宏；成员：范祖辉、陈学雷、张新民 成果举例：完成100多篇论文；LAMOST, DOME-A 暗能量探测可行性研究 III）院“创新工程”项目： 一期：粒子宇宙学 二期：高能天体物理：星系团、黑洞物理和早期宇宙； 首席：武向平、张双南、张新民 三期：依托国内大科学装置的粒子物理、核物理和宇宙学的前沿理论研究 首席：邹冰松、张新民 宇宙学方面：暗能量研究课题组长：陈学雷 暗物质研究课题组长：毕效军 理论研究课题组长：蔡荣根 成果举例：提出“暗物质暗能量探测路线图：上天入地到南极　（锦屏暗物质地下实验； 　　　　　　　　　　　　　　空间小卫星暗物质探测；南极暗能量探测）”　　　　　　　 方向性项目：暗物质、暗能量理论及实验探测可行性研究；　首席：吴岳良、张新民

注：WMAP结果结合了其他观测（LSS+SN)和分析方法，包括中国人的。 (2010年邵逸夫奖， 2012年Gruber 奖， Nobel Prize?) （近期综述：李虹、李明哲、范祖辉、张新民， “WMAP 和精确宇宙学”） 　WMAP：2001年6月 升空 2003年2月 公布第一年结果 （当年世界十大科技进展之首） (e-Print: astro-ph/0302209 [astro-ph] , Astrophys.J.Suppl. 148 (2003) 175-194 ; 引用：6589次） 2006年3月 公布三年结果 2008年3月 公布五年结果 2010年1月 公布七年结果 （ e-Print: arXiv:1001.4538 [astro-ph.CO] ，Astrophys.J.Suppl. 192 (2011) 18 ；引用：3038 次） WMAP 部分重要结果： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《－－－（＊）　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《－－－（＊＊）　 注：WMAP结果结合了其他观测（LSS+SN)和分析方法，包括中国人的。 　　　重要成果： 　　１. 暗能量扰动新方法；首次整体拟合测定 (w_0, w_a);　（张新民　等）　 2. 用极化测量旋转角并检验CPT；（张新民　等）　 3.　CMB 数据分析（李惕碚　等）

精确宇宙学 Ｉ. 过去十余年宇宙学研究的重大成就 重大科学问题：“两暗一黑三起源” 在新世纪，各国都积极规划、部署。。。。 　　　　　　　　＝＝＝〉　国内外宇宙学家的骄傲 II. 　宇宙学研究新挑战： 　　　　　什么是暗能量？　 　　　　　　　什么是暗物质？ 　　　　　。。。。。 重大科学问题：“两暗一黑三起源” 在新世纪，各国都积极规划、部署。。。。 　国内： 暗物质暗能量研究受重视； 支持力度大大的加强； 　　　　　暗物质暗能量探测路线图---》各种规化 中强调， 各类项目资助。 　问题：　面对激烈国际竞争，５～１０年后将如何？出（一流）科学成果？ 　　　　　　　　　　　　继续追赶？占一席之地？主导，领导地位？

2）Quintessence (精质): w > -1 暗能量特征：负压；不结团。 不同理论模型预言不同的 状态方程 w 的演化 1） 宇宙学常数： w = -1 2）Quintessence (精质): w > -1 → ===== w 随红移变化， 但是 w > -1 3) Phantom (幽灵): w < -1 4) Quintom (精灵）： w crossing -1 实际上，只有这4 种大的分类

首要任务： 测定 w(z) w(z) 不能直接观测， 是个被推导出来的量 (标准宇宙学理论模型） 2）天文观测量： SN： 光度距离 LSS：功率谱 CMB： 温度角功率谱， 极化 。。。。。。。GRB, WL …… 3）w(z) 参数化 （目的： 可行性； 减少参数。。。） i） w=w_0+w_1 z (for small z) ii）w(z) = w_0 + (1-a) w_a ========〉 = w_0 + w_a z/(1+z) 数值计算，整体拟合分析

Current status in determining the EoS of dark energy G. Zhao and X. Zhang Phys.Rev.D81:043518,2010 WMAP7 E. Komatsu et al. e-Print: arXiv:1001.4538 SNLS3， e-Print: arXiv:1104.1444  Results: 1) Current data has constrained a lot of the theoretical models; 2) Cosmological constant is consistent with the data; 3）dynamical models are not ruled out; quintom scenario mildly favored； G. Zhao, H. Li, E. Linder, K. Koyama, D. Bacon, XZhang arXiV: 1109.1846 Sep 2011 with WMAP7+Union2.1+BAO+…

暗能量探测研究展望 国外： 国内： I）2004年9月9日: “暗能量研究和探测可行性”专题研讨会 高能所，理论所、国家天文台、上海天文台、紫金山天文台联合主办 LAMOST 暗能量研究：张新民，赵永恒，褚耀泉，范祖辉，陈学雷。。。。。 II) 2008年11月26日： 暗物质暗能量探测路线图 “上天， 入地 到 南极” 院创新三期方向性重点项目（高能所， 国台， 紫台， 上海台， 理论所。。）+ 院外合作+国内外合作 +理论实验天文观测合作 III）近年大量工作 (天籁计划、空间站）。。。。。。

Wide Field Infrared Survey Telescope Large Synoptic Survey Telescope 暗能量探测计划 南极光学近红外巡天望远镜 空间站大光学平台 天籁计划 LAMOST 探测 暗能量 ？ FAST 探测 暗能量？ Wide Field Infrared Survey Telescope Large Synoptic Survey Telescope Euclid BigBOSS ~2020 11 11

暗能量研究时间表 LSST、Euclid……能解决暗能量问题吗？ 什么算解决了？ * 整个问题解决需要很长时间，但阶段性成果也很重要 * 整个问题解决需要很长时间，但阶段性成果也很重要 （注意：1998年前，宇宙学常数问题已多年） 类似：旧量子论---〉量子力学----〉量子场论 ----〉 漫长但每一步都很重要，可能突破！！！ 要充分肯定！ 2011年诺奖：暗能量领域的第一个诺奖！ 第二个（？） 近十年目标：发现动力学或确定宇宙学常数==〉 即 Einstein 还是 非 Einstein ?! （当然确定哪一个动力学模型需更长时间） 目前: (w_0, w_a) O(10%) ===〉重要成果 不久将来： O(1%)===〉重大成果 中国空间站暗能量研究预期----〉

带来了希望：~5-10年内更高置信度上发现动力学暗能量 赵公博等 To appear in Phys. Rev. Lett. 发现动力学暗能量证据 ~ 2.5 sigma 带来了希望：~5-10年内更高置信度上发现动力学暗能量 (注：CMB 温度涨落 COBE 发现，WMAP 证实 --〉 不同的意义） SN + CMB（Planck）+ LSS（BOSS，eBOSS, DES) 关注并更加重视：i) 充分挖掘LAMOST、FAST潜力； ii）中小型、近期出成果的项目； iii）加强国际合作，早出科学成果。 ====〉 Li，Zhao et al.

国内暗能量相关工作 （近期综述：张新民、陈学雷： 暗物质、暗能量研究进展 及中国的机遇 《中科院院刊》2011 . 26（5）) 国内暗能量相关工作 （近期综述：张新民、陈学雷： 暗物质、暗能量研究进展 及中国的机遇 《中科院院刊》2011 . 26（5）) 1) 利用各种天文观测、整体拟合、研究暗能量： （高能所：李虹、张新民等；北大：范祖辉等；清华：陶嘉琳； 国台：陈学雷等；北师大：朱宗宏、张同杰。。。。） 2）GRB 宇宙学： （南大：戴子高；陆埮等；北大：范祖辉；高能所：张双南，李虹等； 北师大：朱宗宏等。。。） 3）修改引力： （上海台：张鹏杰；国台：赵公博 等 。。。。。） 4）系统误差、分析方法带来的误差分析： （国台：詹虎；北大：范祖辉 ；清华：陶嘉琳 ； 高能所：李虹、张新民等）

I）暗物质证据：============〉 暗物质和 WIMPs (重质量弱相互作用粒子） (近期综述：C. Frenk and S. White: “Dark matter and cosmic structure”; e-print: arXiv: 1210.0544) I）暗物质证据：============〉 （冷的, 还是温的？） II）暗物质粒子： WIMPs (weakly interacting massice particles, such as Neutralino ) (重质量弱相互作用粒子） WIMPs 暗物质粒子寻找： ~10年将发现，否则将放弃

Cold & Warm WIMPs I）冷暗物质的模型：理论上大 量数值模拟；在星系及更大的 尺度上大量观测数据的支持； 热产生WIMPs ===== 冷暗物质 II）近期危机：亚星系（sub－galactic）尺度上，温暗物质模型可能能够更好解释观测数据 （景益鹏，高亮，陶嘉琳等） 非热产生WIMPs ===== 温暗物质 （张新民等）

空间：Pamela, ATIC, FERMI, AMS, 地面：H.E.S.S, （我国：羊八井。。。） (cold & warm) WIMPs 暗物质粒子探测方法 对撞机: LHC 直接探测 DAMA, CDMS 。。。 （锦屏暗物质地下实验） 间接探测 空间：Pamela, ATIC, FERMI, AMS, (紫台小卫星；我国空间站) 地面：H.E.S.S, （我国：羊八井。。。） c Direct detection c p e+ n g _

“天文+粒子”紧密结合对解开暗物质之谜 至关重要 1）cold or warm WIMPs === 暗物质间接探测信号不同 袁强等 2）暗物质空间分布（天文）对 WIMPs（粒子）探测 至关重要 假设：如果 “地球附近”没有暗物质， 探测将。。。。。？ =======〉LAMOST （and FAST) 暗物质研究计划

CMB极化 （Detection of B mode) 1964年：发现宇宙微波背景辐射（1978年诺贝尔物理学奖） 1992年： COBE 卫星 （2006年诺贝尔物理学奖） 开启“精确宇宙学”时代大门 2001年：WMAP 卫星 精确宇宙学 CMB 极化测量：DASI， WMAP， QUaD， BICEP 。。。。《==== E mode B Mode Detection 意义重大: i) 探测 张量扰动； 直接检验Inflation, Bounce Cosmology; ii) 检验 CPT 对称性。 目前旋转角测量状况 ---------〉 3 sigma detection CMB 观测： DOME-A； 与QUBIC （the QU bolometric interferometer for cosmology) 合作？ 夏俊卿等

中微子宇宙学 1）探测 relic neutrino， 像CMB 一样，非常重要； 2）中微子实验近年取得大的进展： 中微子振荡===〉 中微子有质量； 大亚湾中微子实验（ <15年就取得了重大成果！） 大亚湾中微子实验二期; 3）有质量中微子是自然的暗物质粒子，但是 Hot Dark Matter ===== 宇宙学限制； 目前，“总质量” 小于 ~0.3 --- 0.8 eV Detection with Euclid …… 4) Leptogenesis ====反物质丢失之谜； 5）中微子暗能量理论 （张新民等，Ann Nelson 等）； 6) Sterile neutrino as warm dark matter.

宇宙学理论研究 1) Inflation 模型： Gruber 奖：2004年 Alan Guth、Andrei Linde 但是：inflation dynamics? Model? 2) 暗能量理论：Quintom （近期综述：蔡一夫等 Phys. Repts.) Holographic DE, Agegraphic, Ricci DE; ….. 暗物质理论：间接探测方面的理论（Boost factor) 取得重要成果； (高能所：毕效军、张新民等；理论所：周宇峰、吴岳良等） 国台：秦波；北大：朱守华 。。。。。。。。。 4) 大爆炸宇宙模型奇点问题：Quintom bounce & cyclic universe Quintessence ------ Inflation Quintom ----- Bounce (Cyclic) Cosmology

报告总结和思考 1）过去十余年宇宙学研究重大成就：精确宇宙学； 中国科学家（理论）作出了重要的贡献。 2） 暗物质暗能量是重大科学前沿问题， 将带来天文、物理学 的一场革命； “高能+天文”、“粒子+宇宙学” 交叉研究重大意义， 过去十年我国“创新文化建设”一个重大成果。 3） 我国抓住了机遇， 规划了路线图； 启动了多种暗物质暗能量（国内+国际合作）项目。 但，鉴于国际上剧烈的竞争、我们有限的人力， 即使有钱能保证出一流成果吗？

Thank you !