暗物质和暗能量是21世纪天文学和物理学研究中的两个重大科学问题

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暗物质和暗能量是21世纪天文学和物理学研究中的两个重大科学问题。

暗物质， 暗能量 近10余年，宇宙学研究发展迅速，人们对宇宙有了全新的认识。这些天文观测告诉我们，宇宙的基本组成中大约73%是暗能量，23%是暗物质。

从粒子物理学研究物质基本结构的观点出发，我们知道普通物质是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的基本粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的规范玻色子。但是， 天文观测告诉我们这些普通物质只占4%， 而96%是暗物质和暗能量。暗物质、暗能量问题对粒子物理学提出了重大的挑战。

1 精确宇宙学和粒子物理新挑战 探索宇宙起源及演化的奥秘是天文学和物理学研究的一个最基本的问题。 大爆炸宇宙学模型告诉我们，大约137亿年前，大爆炸发生的那一刻，宇宙处于一个极致密、极高温的状态，之后宇宙逐渐膨胀、冷却并演化至今。大爆炸宇宙模型的一个重要预言是宇宙微波背景辐射（CMB）。它产生于大爆炸发生之后大约38万年， 那时宇宙的温度非常高，宇宙气体处于高度热平衡，发出的辐射光子带有很明显的特征，高度符合普朗克的黑体谱。之后随着宇宙的持续膨胀，它的温度逐渐降低至今天的2.7K。

2 暗物质 那么什么是暗物质呢？简单来说，暗物质是一种不发光的物质，它有显著的引力效应

从粒子物理的观点出发，有质量的中微子是一种暗物质粒子，但它是热暗物质。它的质量应当非常小，在暗物质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的冷的或温的暗物质。那么这些暗物质粒子究竟是什么呢？目前还不清楚。

总而言之， WIMPs是理论物理学家“喜欢”的新理论中预言的新粒子，同时宇宙学家发现它正好给出宇宙中所需的暗物质密度，而在基于加速器和非加速器的实验上对于WIMPs的探测都具有可行性。正因为如此，人们预期对于WIMPs暗物质的研究在不久的将来会有重大的突破。

3 暗能量 1998年两个Ia型超新星（SN）小组发现了宇宙在加速膨胀，由此揭示了暗能量的存在，之后暗能量一直为物理学界和天文学界关注的焦点。暗能量的基本特征是具有负压，在宇宙空间中（几乎）均匀分布且不结团。

暗能量的一种可能性是宇宙学常数，或真空能。这种能量在日常的生活和科学实验中感觉不到，但却支配着宇宙的演化，驱动宇宙的加速膨胀。但是目前量子场论的理论预言值远远大于观测值。如果认为爱因斯坦的广义相对论和粒子物理的标准模型在普朗克标度以下都有效的话，理论计算的真空能将比观测值大10120倍。这一理论与实验的冲突即宇宙学常数问题是对当代物理学的一大挑战。

另一种暗能量可能性是随时间变化的动力学场的能量。最简单的是一个具有正则动能的标量场，值得指出，对于动力学暗能量来说，不同于宇宙学常数，它将带来一系列有趣的物理现象。暗能量的本质决定着宇宙的命运。如果加速膨胀是由真空能引起的，那么宇宙将永远延续这种加速膨胀的状态。宇宙中的物质和能量将变得越来越稀薄，星系之间互相远离的速度将变得非常快，新的结构不可能再形成。如果导致当今宇宙加速膨胀的暗能量是动力学的话，那么宇宙的未来将由暗能量场的动力学决定，有可能会永远加速膨胀下去，也有可能重新进入减速膨胀的状态，甚至可能收缩，特别是在精灵暗能量框架下，宇宙将有可能是振荡的。

在暗能量理论研究方面，中国科学家提出了有特色的理论模型，我国暗物质暗能量探测的可行性及挑战

虽然在暗物质、暗能量理论研究方面和基于国际合作的实验研究方面，在暗物质粒子间接探测方面，在我国西藏羊八井宇宙线地面观测站随着实验的升级和灵敏度的提高，特别是未来LHAASO项目的开展，在间接探测暗物质粒子方面将具有一定的潜力。在空间暗物质粒子间接探测方面，我国空间站暗物质粒子探测项目以及较近期的由紫金山天文台等单位提出的小卫星暗物质实验都将预期对暗物质的研究做出有意义的贡献。

关于暗物质性质的研究与天文研究紧密相关。 比如， 对于暗物质的直接探测和间接探测，其信号的预言或解释都依赖于暗物质的密度及空间分布，因此，这些研究必须和天文研究紧密结合。在这方面， 我国的LAMOST望远镜将有可能， 特别是南极 DOME A大型望远镜将预期起重要的作用。

暗物质、暗能量的研究需要理论和实验, 更重要的是物理和天文等多学科的交叉研究。 同时要开展国际合作。 这是一个系统工程， 只有多学科多部门的合理协调统筹安排及科学规划， 我们才能不失时机地参与国际竞争，为人类文明科技发展做出应有的贡献。

总之， 在过去的10余年间， 国际上宇宙学的发展是惊人的。 自中科院创新工程实施以来，我国科学家抓住了这个机遇，在计算宇宙学及理论模型研究方面都取得了重要的成果；在以国际合作为主的实验研究及天文观测方面也做出了重要的工作。中国科学家对近年来“精确宇宙学”的贡献是不可忽视的*。另一方面，暗物质、暗能量是新世纪重大的科学问题，我国科学工作者已绘制了开展该方向探测研究的路线图。

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