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国际前沿课题:暗物质宇宙动力学(研究简报)  

2016-01-03 11:12:36|  分类: 科学发现 |  标签: |举报 |字号 订阅

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国际前沿课题:暗物质宇宙动力学(研究简报)          王汰非

                    国际科学研究院北京智能云科技分院

                北京智能技术科学研究院理论物理中心

 摘要研究宇宙暗物质演化结构及分布动力学规律,提出暗物质宇宙学原理,原始力、暗能量与暗物质守恒与转化定律,给出暗物质演化宇宙学分析宇宙量子谱,揭示宇宙起源演化发展系统规律。探测实验暗物质暗能量,提取利用宇宙能源提供理论基础与可靠的科学数据   
    关键词暗物质宇宙动力学暗物质宇宙学原理暗能量与暗物质守恒定律;宇宙量子谱

学科分类号160

中图分类号p15

引言

  暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、天文观测和膨胀宇宙论研究表明:宇宙的密度可能由约70%暗能量,5%的发光和不发光物体,5%的热暗物质和20%冷暗物质组成。在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗物质的总质量是普通物质的6.3以上,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。研究计算整个宇宙有89.6%是由暗物质构成,但一直未能证明其存在。已有不少天文学家认为,宇宙中90%以上的物质是以暗物质的方式隐藏着。根据当前一些统计资料显示,我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的90%,而人类可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%。暗物质是一种比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波引力场,是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小,但是数量庞大因此它的总质量很大,暗物质无法直接观测得到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。

       根据宇宙动力学与广义相对论[ 1- 9 ]引进暗物质宇宙动力学,研究暗物质暗能量演化结构及宇宙系统规律,为探测实验暗物质开发宇宙能源开辟新途径

2 暗物质演化宇宙学分析

    2.1暗物质演化及分布1-3 ] 

由理论与天文观测宇宙暗物质分布的观测事实归结为

旋涡星系转动曲线的平性;质光比随着天体系统的尺度增大而增大;矮球星系的质光比;减速因子测定的偏差;引力闪耀等。上述观测事实归结为:

1)宇宙中的物质大部分为暗物质,约占总物质的89.6%(见以下计算)。

2)暗能量均衡分布大尺度物质及势能动能中。

3)从宇宙氘丰度推断,宇宙中存在着多种类型(成分)的暗物质,除了多类型的中微子,还有中微子作用更弱,速度能量更大的粒子。 

结论1 暗物质将随宇宙均匀膨胀而均衡分布宇宙的加速或减速膨胀由宇宙暗物质分布相关。宇宙中90%的物质是不发光的非重子暗物质。

    我们给出宇宙具有89.6%暗物质的理论计算

参照可观测宇宙尺度150亿光年(5000兆秒差距)= 1.4191 × 10 2 6 m现在宇宙可视质量M = 1.989× 1052 kg理论计算Mk / Mg=  89.6%

  为暗物质与可观测宇宙质量比率。

                                                        Mk / M = 8.61  

为暗物质与可视宇宙质量比率。

其中可观测宇宙质量为可视质量与暗质量之和。   

计算得知我们现今宇宙暗物质为可观测物质的89.6%可视物质的8.61倍。可观测宇宙密度与平模宇宙密度10- 26 kgm- 1 拟合,因此我们宇宙具有足够的动力膨胀到极大值。满足标准宇宙平模型。 

    暗物质宇宙动力学理论

 原理暗物质宇宙学原理[ 1-3 ]

1宇宙是自足自洽的(SeIf  contained )整个宇宙决定于完备的自然规律,不需要任何外加的或假定的初始条件,按照完全确定的规律演化及发展。

20宇宙暗物质暗能量各向同性均匀分布时空稳恒。宇宙物质与暗物质、能量与暗能量分布与结构等效。

30 宇宙热爆炸为光速与超光速事件视界内的预定规律,现在宇宙为视界外事件过程。人类认知的是视界外发生的事件过程,无法感知观测检验视界内的预定规律。

40宇宙热爆炸释放的暗物质暗能量主导了宇宙演化与结构的形成,按照确定的规律支配宇宙演化发展的系统过程。 

3.2暗物质暗能量动力学理论

     3.2.1 理论分析  

 1初始宇宙(010-44)不存在粒子,由于原始力与引力极强,粒子由巨大的原始力与引力能逐渐转化而产生,初始宇宙为超时空混沌泡抹形式,而其虚粒子暗粒子将由超量子化暗粒子海组成。由于能量密度足够大,所有的虚粒子暗粒子通过Hawking过程 不断地转化为实粒子,时空表现为实量子的暗物质组成的稠密泡沫,暗物质形成和爆发遵从初始(暴胀)宇宙论和Hawking过程。

   (2 ) 宇宙热爆炸将产生原初宇宙,即原初暗物质宇宙。原初黑洞是其可观测形式,其寿命(由于蒸发)和我们的宇宙相当,蒸发时将发出100GeV射线,在爆炸时将产生大量的正负粒子对(电子对),可用HEAOB射线探测仪,探测这种质量10 1 5克的原初黑洞暗物质蒸发时发出的射线,用以研究分析其原初黑洞暗物质活动情况。 

   3)宇宙演化一定质量的物质,发生引力坍缩的结局形成黑洞构成宇宙暗物质系统。观测与研究表明,黑洞和致密星(中子星)发出的X射线由坍缩星体 — 暗物质核吸积物质时所产生,因此黑洞爆发存在着暗物质辐射,从而产生引力辐射和磁场作用。大尺度空间中的暗物质暗能量来源于区域核心黑洞暗物质集聚系统。

   4暗物质动力学将揭示微观结构和基本粒子起源、演化及基础结构理论,用以研究r0终极核时空结构、粒子分布及变化状态的量子力学规律[13 -16 ] 。将宇宙演化史推溯到0秒~10  4 4 秒初始时期,从基本理论上解决大爆炸宇宙学和标准宇宙模型初始奇性结构及其演化理论。

   5宇宙学家表示,已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数,比天空中的其他临近区域更频繁。暗物质从137亿年前开始在庞大的能量膨胀  宇宙大爆炸过程中形成。能量冷却后形成普通物质、暗物质和暗能量,它们在宇宙中的比例分别是4%23%73%芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳表示暗物质探测试验正在进行。相干锗中微子技术(CoGeNT)等深埋地下的探测器已经发现弱相互作用大质量粒子的迹象,即大质量弱相互作用粒子(WIMP)通过一系列的研究包括利用大型强子对撞机制造WIMP等,暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。

    定律暗能量守恒与转化定律

宇宙具有原始力(恒量),原始力做功产生原始暗能量。随着宇宙膨胀原始暗能量依次分化为各层次暗能量。系统暗能量既不创生又不消失将保持恒定。遵从守恒关系略    

     定律2暗物质守恒与转化定律

宇宙具有原始密度(恒量),在原始力作用下原始密度均匀扰动形成原始暗物质。随着宇宙膨胀原始暗物质依次分化为各层次暗物质。系统暗物质既不创生又不消失将保持恒定。遵从守恒关系略

暗物质和宇宙量子理论[ 17-30 ]

4.1暗物质理论

定义 1 极早期宇宙演化具有玻尔半径的致密物质称特征原始物质,结构粒子称为特征暗粒子。特征原始暗物质尺度略

    冷暗物质模型(CDM), 认为宇宙中90%的物质是不发光的非重子暗物质。即轻暗物质,我们给出宇宙均匀膨胀的轻暗粒子稳恒分布尺度

    特征暗粒子尺度略

结论1暗粒子包括自由与束缚暗粒子。自由暗粒子在宇宙中均匀稳恒分布,束缚暗粒子为致密物质中的集聚态。轻暗粒子质量小于电子两个量级,不带电荷不与电子发生干扰,能够穿越电磁波引力场,是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小,但是数量庞大,因此它的总质量很大,它们代表了宇宙中89.6%的物质含量,其中人类可见的只占宇宙总物质量的10%。暗物质无法直接观测得到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。可在科学实验、黑洞辐射、天文观测及微波背景辐射中观测验证。

结论特征暗粒子初始态为玻尔半径的原初原子致密物质,表征电子、原子与星云物质的创生及时空的起源。

太阳系特征暗粒子数M / mk =10 62 ,银河系特征暗粒子数M / mk =10 74,星系团特征暗粒子数M / mk =10 76,超星系团特征暗粒子数M / mk =1080,宇宙特征暗粒子数M / mk =10 85

由轻暗粒子可推广为重暗粒子、核子暗粒子、夸克暗粒子、引力暗粒子、中微子暗粒子与终极暗粒子等。为此基本粒子与基本暗粒子具有广义对称性。

4.2宇宙量子理论[ 12-16 ]

宇宙结构具有量子遵从量子物理

宇宙特征量子尺度          

宇宙量子理论为宇宙演化发展定性研究、定量计算提供可靠的科学理论。

     结论3引力坍缩黑洞为束缚态暗物质核系统,遵从暗物质宇宙动力学与量子物理理论。

    理论预测

    暗物质宇宙动力学和宇宙优化理论[12],大尺度空间具有奇异超星系团(计算得出质量10 4 9 kg)可能是巨大的暗物质系统,质量为超星系团的103倍,为总星系的10 - 3倍。如果宇宙中具有90%的暗物质,那么宇宙中将具有900个暗物质奇异超星系团均匀分布

其中10 52 kg× 90% /10 4 9kg900

这是宇宙大尺度物质与暗物质对称优化分布的结果待于观测证认。 

结论

1宇宙早期天体与星系具有共同的起源,起源于原始暗物质 原始暗物质系统宇宙膨胀作用下形成星云物质,在宇宙膨胀发展中形成天体、星系、星系团、超星系团和总星系。 

    2宇宙物质与暗物质按照一定优化规律分布具有广义对称性。系统物质为理想流体,各向同性均匀分布时空稳恒。

       3)一定质量的物质引力坍缩为宇宙暗物质集聚区  黑洞。即黑洞为暗物质核系统。大尺度星系中心具有暗物质核系统,黑洞辐射将释放粒子与暗粒子流。原初黑洞蒸发时将发出100GeV射线,在爆发爆炸时将产生大量的(暗)正负粒子对 ,从而产生引力辐射和磁场作用。 可用HEAOB射线探测仪,探测这种质量为10 1 5克的原初黑洞暗物质蒸发时发出的射线,用以研究分析其原初黑洞暗物质活动情况。大尺度空间中的暗物质暗能量来源于系统中心黑洞暗物质核系统

       4宇宙学家表示,已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数,比天空中的其他临近区域更频繁。暗物质从137亿年前开始在庞大的能量膨胀  宇宙大爆炸过程中形成。能量冷却后形成普通物质、暗物质和暗能量,它们在宇宙中的比例分别是4%23%73%芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳表示暗物质探测试验正在进行。相干锗中微子技术(CoGeNT)等深埋地下的探测器已经发现弱相互作用大质量粒子的迹象,即大质量弱相互作用粒子(WIMP)通过一系列的研究包括利用大型强子对撞机制造WIMP等,暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。  

暗物质宇宙动力学为研究宇宙与黑洞起源演化与系统结构提供了简捷的新途径和新方法。 

4.3宇宙(暗物质)量子结构分析[ 12-16]

根据暗物质宇宙动力学、现代宇宙学、宇宙弦与超弦理论、量子力学与广义相对论及相关科学实验与天文观测事实,用大型计算机云计算整理归纳出宇宙(暗物质)系统量子结构尺度。即宇宙系统量子谱略。                                       

 结论5

宇宙演化高层次星系初始时空尺度构成低层次星系现今时空尺度。即星系初始时空尺度构成恒星系时空尺度,星系初始时空尺度构成星系时空尺度,超星系初始时空尺度构成星系团时空尺度因此宇宙演化具有次序性与还原性,遵从统一的演化规律。

   结论6  

  1暗物质宇宙学将揭示微观结构和基本粒子起源、演化及基础结构理论,用以研究r0终极核时空结构、粒子分布及变化状态的量子力学规律。将宇宙演化史推溯到0秒~10  4 4 秒初始时期,从基本理论上解决大爆炸宇宙学和标准宇宙模型初始奇性结构及其演化理论。

2)宇宙演化特征奇性具有终极粒子,为宇宙起源特征奇点结构量子,构成宇宙统一场量子。宇宙热爆炸释放终极暗粒子,各向同性均匀分布时空稳恒。在宇宙膨胀背景下依次演化为各层次物质结构。 

3)宇宙自由暗物质为大质量物质的弱相互作用,能够穿越电磁波引力场,是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度小数量大,因此总质量很大。为宇宙中89.6%的物质含量,其中人类可见的只占宇宙总物质量的10%。暗物质无法直接观测得到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到束缚暗物质为致密物质与黑洞形式,具有超强相互作用。如黑洞,中子星与核物质等。

 宇宙各层次终极暗粒子分布尺度略

暗物质宇宙动力学揭示暗物质演化结构及分布规律探测实验暗物质暗能量,研制开发宇宙能源开辟新途径                                                                                                                                                                                                                

                                  参 考文 

          [1] [霍伊尔等,物理天文学前沿,(何香涛,赵君亮译),长沙:湖南科技出版社,

          [2] 中国大百科全书。天文学卷,北京:中国大百科全书出版社,1980                                     

     [3冯麟保,宇宙学引论,北京;科学出版社,1994。   

     [4] ALBERT  EINSTEIN  THE  MEANING OF RELATIVITY  Fifth Edition , 1955.                                  

          [5] 爱因斯坦文集北京:商务印书馆,1976                                                             

          [6] RindIer,WEssentiaI ReIativitySpeciaI,GeneraI and CosmoIogicaI,2nd ed。(1977)。.                            

          [7] P.A.MDirac GENERAL THEORY OF RELATIVITY  john WiIey , 1975                                  

          [8]张镇九,现代相对论及黑洞物理,武汉:华中师范大学出版社,1988    

          [9] 沈有根,黑洞的Hawking辐射—引力场中物质的量子效应,天文学进展,1998,(1,15~22.      

         [10]  HawkingSWNature 197424830HawkingSWCommun Math Phys197543199  

  [11] Hawking , S.W.and EIIis..G. F. R. The  Large  Structure of  Space Time Cambridge,1973.   

  [12]王汰非,系统现代物理与智能技术科学,科学出版社,2015即将出版,申报国家科学技术学术专著基金项目。

         [13]王汰非,黑洞量子理论,广西物理,19982);14                                                                      

         [14]王汰非,黑洞量子力学基础研究,广西物理,20023);4246。获中国管理科学研究院,2004优秀学术成果交流

                大会,优秀论文二等奖。                                                                                                                                                

         [15] 王汰非,黑洞Hawking辐射的充要条件;物质质量与时空的量子性及在量子力学发展中的应用,中国当代思想宝库, 

                北京:中国经济出版社,2004。此成果获第二届中国科学家论坛优秀成果一等奖。    

  [16]王汰非,广义相对论量子力学及应用,物质质量波粒二象性与时空的量子性及应用,入编国际大型学术文献《探索之

        旅 —— 改革与进步,发现与思考》,香港:世界文献传媒出版集团,2006

         二项果分别获国际优秀科研学术成果探索奖。

[17] Aprile EDoke T. Rev. Mod. Phys.2010822053

[18] Fox P JHarnik RKopp J et al. Phys. Rev. D201285056011

[19] Aprile E et al. Phys. Rev. Lett.2013111021301

[20] ATLAS Collaboration . Phys. Rev.D201591012008

       [21] Davide F. EPJWeb Conf.20159504019

[22] Agnese R et al. Phys. Rev. Lett.2014112241302

[23] Accardo L et al. Phys. Rev. Lett.2014113121101

[24] Bringmann T et al. JCAP201207054

       [25] 常进,冯磊,郭建华等暗物质粒子探测卫星及邻近的电子宇宙射线源.中国科学:物理学力学天文

              学,201545(11)119510 

[26] 郭建华,徐遵磊,胡一鸣等暗物质粒子探测卫星有效载荷总体初样设计报告.中国科学院紫金山天文台,2013

[27] 高亮暗物质粒子属性和宇宙结构形成[J]. 物理, 2015, 44(10): 639-645.

       [28] 刘书魁,岳骞直接探测暗物质和中国暗物质实验[J]. 物理, 2015, 44(11): 722-733.

       [29] 谌勋,季向东,刘江来PandaX 暗物质探测实验[J]. 物理, 2015, 44(11): 734-739.

       [30] 李金暗物质的直接实验探测[J]. 物理, 2011, 40(03): 0-0.

      Study on the dynamics of dark matter in the universe                

                          Wangtaifei

   International Academy of sciences  Beijing Intelligent science Research Institute

                Beijing academy of Intelligent science

   Abstract: the research of the evolution of the universe dark matter and its distribution dynamics, the structure and the principle of dark matter, the original force, dark energy and dark matter conservation and transformation of the law, given the evolution of dark matter and cosmological quantum spectra, revealing the origin and evolution of the universe. To detect dark matter and dark energy, and to provide a theoretical basis and reliable scientific data for the use of cosmic energy.

   Key words: dark matter universe dynamics; dark matter cosmological principle; dark energy and dark matter conservation law;cosmic quantum spectra

  Subject classification number: 160

   Figure classification: p15

   作者简介]  王汰非:世界学术成果研究院院士,国际科学研究院首席专家国际科学研究院北京智能云分院院长,北京智能科技研究院院长,中国科技研究交流中心研究员等。从事理论物理、天体物理,宇宙学与智能技术科学研究,智能技术研发及科教研仿真逻辑设计软件开发发表论文60余篇,30余项成果获优秀成果奖。即出版系统现代物理与智能技术科学》《系统宇宙学天文技术科学》科学出版社,2016。申报国家科学技术学术专著基金项目

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