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超致密暗物质晕的相关研究

郑云龙  
【摘要】:直到上个世纪Einstein创造广义相对论,我们才第一次真正有了可以用来描述宇宙演化的理论。为了研究的方便Einstein提出了宇宙学原理:物质的分布在足够大的尺度上是均匀各向同性的。同时为得到一个静止的宇宙解,Einstein引进宇宙学常数,然而这样的静态宇宙仍然是不稳定的。随后Hubble观测到邻近24个星系的整体红移,而且红移和距离成正比,这既是宇宙膨胀的直接证据,也暗示了宇宙的均匀各向同性。20年后伽莫夫提出宇宙起源于大爆炸,还计算了遗留的光子背景温度;接着贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔斯发现了理论学家正在寻找的宇宙微波背景辐射,从而证实了伽莫夫的预言。另外大爆炸宇宙学还很好的解释了宇宙中轻元素的丰度。20世纪70年代,星系旋转曲线、星系速度弥散和引力透镜等大量观测表明绝大部分物质是暗物质,没有显著的电磁相互作用。1998年Ia超新星的观测数据表明宇宙正在加速膨胀,如果广义相对论在宇宙尺度上是正确的,那么就有一种负压强的暗能量存在。由现代宇宙学的各种观测己经很精确的知道,通常的可见物质(主要是重子)只占据宇宙的4.9%,暗物质占据26.8%,剩下的68.3%是暗能量。本文主要研究一种最近新发现的暗物质结构:超致密暗物质晕(UCMHs)o第一章概述了宇宙学的知识。我们首先简要回顾了宇宙学的发展史,然后介绍了广义相对论的重要概念,最后得到宇宙学的演化方程。对于辐射,物质和暗能量,我们得到能量密度ρ和宇宙尺度因子a的关系,以及宇宙尺度因子随时间演化的方程。第二章系统地描述了暗物质的观测证据,对暗物质候选者进行分类并讨论了探测暗物质的方法。大质量弱相互作用粒子(WIMPs)是理想的冷暗物质的候选者,而研究最多的WIMPs是最轻的超对称粒子。我们给出它们在宇宙中的比例Ωx和参数的关系式,由现代观测我们得到暗物质参数如质量和截面的限制。热暗物质典型的例子是三代中微子,我们对中微子的质量进行了限制。另外我们也讨论了暗物质的非热产生机制,同时给出Ωx依赖于参数的表达式。特别地,我们讨论了最简单的非热产生例子-大质量弱相互作用标量场的凝聚。轴子最初是粒子物理为解决强CP问题而提出的,它是非热产生的一个好的候选者。探测暗物质的方法有测量原子核的核反冲的直接探测,也有测量暗物质粒子湮灭或衰变产生的标准模型粒子的间接探测,当然大型对撞机也试图寻找暗物质存在的迹象。第三章探讨了一种新的暗物质结构-超致密暗物质晕(UCMHs),它是Ricotti Gould在2009年提出的。当存在原初密度扰动δρ0.3的区域时,就有可能形成原初黑洞。但是当密度扰动小于这一临界值但大于10-3时,虽无法形成原初黑洞,却会演化成为超紧致暗物质晕。和一般的暗物质晕相比,UCMHs的密度更大,形成的时间更早。如果暗物质是由WIMP粒子构成的,那么UCMH通过WIMP湮灭或者衰变产生的粒子如γ射线有可能被Fermi卫星或者大气切连科夫探测器(ACTs)观测到,产生的中微子信号被IceCube/DeepCore或其它中微子探测器观测到。对于给定的模型我们计算了来自UCMH的WIMP湮灭产生的γ射线的通量,同时我们也给出了能被探测到的UCMH丰度的下限,以及没有被探测到的UCMH丰度的上限,并把UCMH丰度的限制转化为小尺度上原初曲率扰动的限制。如果暗物质粒子不湮灭的话,衰变将变得很重要。于是我们同时也计算了UCMH中WIMP衰变产生的γ射线信号,得出了相应的UCMH丰度和原初曲率扰动的限制。除了γ射线信号,我们也研究了来自UCMH的中微子信号。虽然没有探测到中微子,我们给出UCMH丰度的限制,并转化为对小尺度上原初曲率扰动的限制。第四章我们总结了本文的工作,并展望了未来的研究。


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