当物理遇到宇宙_中科院上海天文台_张鹏杰

科大交叉学科理论研究中心，2008Confrontingphysicswiththecosmos张鹏杰中科院上海天文台科大交叉学科理论研究中心，2008报告概要天文学的历史巨变–困惑–机遇当物理遇到宇宙–宇宙初条件•宇宙学原理？–物理规律•Testinggeneralrelativityinthecosmos–时空维度–场方程科大交叉学科理论研究中心，2008DarkenergyisbadforastronomyDarkenergycanbegoodforastronomyArXiv:0704.2291ArXiv:0708.1199科大交叉学科理论研究中心，2008天文学的转变已知物理规律传统天文天体物理未知物理规律暗物质暗能量修正引力sterileneutrino、、、当代天体物理的重要方向梦想把世界还原成几个原理，几个常数，几个方程把宇宙当成动物园和植物园，越丰富越美好价值观的激烈冲突科大交叉学科理论研究中心，2008Laboratoriesinthecosmosz~1000z~30z~6z~0z~1000z~30z~6z~0z~1000z~30z~6z~0科大交叉学科理论研究中心，2008Inobservationalastronomy,nothingisimpossible(1)CMB（1978and2006Nobelprizes)(2)Weaklensing.Measureimagesofmilliongalaxiesbillionsoflightyearsawayat1%accuracyWittmanetal.2000Fuetal.2007Afactorof~100improvementLSSTEuclidSKASNAP~2015-2020科大交叉学科理论研究中心，2008TheymakedarkenergyluminousClusterabundaceTypeIasupernovaeWeakgravitationallensingPeculiarvelocity(bulkflow)BaryonacousticoscillationCMBmid-90s1998-2000-2001-2005-2000：Boomerang、Maxima和宇宙平坦性2002：DASI和CMB偏振2003：WMAP和精确宇宙学2003：ISW效应2007：CMBlensing科大交叉学科理论研究中心，2008二十一世纪的十一个问题暗物质暗能量宇宙起源中微子引力性质额外维度甚高能标物理科大交叉学科理论研究中心，2008暗物质暗能量大尺度上的引力性质小尺度上的引力性质高密度区强子物理精细结构常数的演化洛仑兹不变性的检验中微子质量和species甚高能高密实验室普朗克能标物理暴涨场引力波科大交叉学科理论研究中心，2008报告概要天文学的历史转变–困惑–机遇当物理遇到宇宙–宇宙初条件•宇宙学原理？–物理规律•Testinggeneralrelativityinthecosmos–时空维度–场方程科大交叉学科理论研究中心，2008宇宙初始条件伽利略时代：物理学的里程碑–意识到初始条件和物理规律的区别–通过物理实验设定初始条件–物理规律才可能从变化多端的物理现象中分离出来！同样的革命正在天文领域发生！–天文学：无法设定宇宙初始条件–但是当代天文学能够直接观测宇宙的初始条件！感谢保存在时间里的宇宙化石！–宇宙原初扰动是高斯、绝热、接近标度不变的吗？对标度不变的偏离•非高斯性（？）•非绝热性（？）–宇宙学原理？科大交叉学科理论研究中心，2008宇宙学原理我们在宇宙中的位置–哥白尼原理：宇宙没有中心•宇宙学原理：宇宙不仅仅没有中心（均匀的），而且是各向同性的。这个宇宙由FRW模型描述我们能够检验这个基本原理或者基本假设吗？–CMB–ThekineticSunyaevZel'dovicheffect–Otherprobes这个基本原理的破坏会导致什么？–Darkenergyasanillusion科大交叉学科理论研究中心，2008各向同性的宇宙CMB观测表明，宇宙在统计上是各向同性的。有争议！但是，严格来说，CMB只证明，对我们来说，宇宙是各向同性的！科大交叉学科理论研究中心，2008TheLTBuniverseLemaitre-Tolman-Bondimodel–Theuniverseisonion-like–Massdistributionisisotropicwithrespecttothecenter–Butvariesalongtheradialdirection–Welivenearthecenter–Isotropicwithrespecttous(andonlytous)科大交叉学科理论研究中心，2008LTB:cosmicaccelarationwithoutdarkenergy低密度区（void)在这个非均匀的宇宙中，超新星会变得比均匀宇宙（FRW）中暗如果我们假设宇宙是均匀各向同性的（宇宙学原理），就会误以为宇宙在加速膨胀，误以为暗能量存在或者广义相对论需要修改既然我们只能从地球观测宇宙，我们如何区分LTB模型和FRW模型？科大交叉学科理论研究中心，20082008，PRLarxiv:0711.3459电离宇宙是一面镜子能够反射其他区域的CMB光子到达我们，从而告诉我们对哥白尼原理的偏离对黑体谱的偏离科大交叉学科理论研究中心，2008Movingmirrors:thekineticSunyaevZel'dovicheffect物质随动参考系ViolationoftheCopernicanprinciple对哥白尼原理的违背造成微波背景参考系和物质随动参考系的相对运动运动的散射镜产生thekineticSunyaevZel'dovich效应predictionobservations微波背景参考系在均匀宇宙中，两个参考系重合，没有相对运动科大交叉学科理论研究中心，2008报告概要天文学的历史转变–困惑–机遇当物理遇到宇宙–宇宙初条件•宇宙学原理？–物理规律•Testinggeneralrelativityinthecosmos–时空维度–场方程科大交叉学科理论研究中心，2008GeneralrelativityandGRtestsfrom~10^-5mto~10^13mGeneralprincipleofrelativityEquivalenceprincipleFieldequationConfirmedat10^(-13)GeneralcovarianceTensoranalysisperihelionshiftlightdeflectiontimedilation/frequencyshiftorbitaldecay(gravitationalwave)timedelaygeodeticeffect?framedraggingeffect(e.g.52212211022(1)(1)GMGMdsdtdrrdrr－＝：科大交叉学科理论研究中心，2008额外维度（1）：引力波•Independentmethodstomeasurethedistances.–D(EM):fromEMwaves(SN,BAO,maser,etc)–D(GW):fromgravitationalwaves(GW)•IfgravityisGRin4D,thenD(GW)=D(EM)•Otherwise,interestingthingscanhappen–Example:ifGWcanleakintothe5thdimension,asin5DbraneworldDGP,–D(GW)D(EM)Deffayet&Menou,2007D(EM)D(GW)科大交叉学科理论研究中心，2008额外维度：星系团密度轮廓Qin,Pen&Silk2005科大交叉学科理论研究中心，2008对场方程的检验宇宙学检验和太阳系检验的本质区别•相对论–时空弯曲项=物质、能量项宇宙学检验：未知！！暗物质、暗能量、有质量的中微子太阳系试验：可测可测科大交叉学科理论研究中心，2008182visibleuvuvuvuvRgRgGTCDMuvT()uvfgDEuvTThestandardcosmologyisbaseduponGRandisconsistentwithobservationsModifiedgravityminimallycoupledtomatterDynamicalDEModifiedgravitynon-minimallycoupledtomatter/energyDarkmatter/darkenergy?Modifiedgravity?科大交叉学科理论研究中心，2008lensingSNeIaBAOclusterabundancepeculiarvelocityCMBWeareabletoputeverythingtogethertoreconstructtheelephant!thedarkuniverse科大交叉学科理论研究中心，2008Probesoftheexpansion(zerothorder)•TypeIasupernovae(standardcandles)•BaryonacousticoscillationinLSSandCMB(standardruler)•Fundamentalplane,Faber-Jackson&Tully-Fisherofgalaxies•Age(globularclusters,galaxyage-z..)•Gravitationallensingtimedelay•SZ-Xrayclusterfluxes•Clustergasfraction•Gammaraybursts•Alcock-Paczynski(AP)test•Watermaser•....•Standardsirens(GWsfromblackholebinaries)•Sandage-Loebtest•.....科大交叉学科理论研究中心，2008Probesofthelargescalestructure(firstorder)Theymaynotprobewhatwethinkthattheyprobe!!•gravitationalpotentials–Gravitationallensing–Galaxy/clusterpeculiarvelocities–TheintegratedSachs-Wolfeeffect•density–galaxyclustering–clusterabundance•fluidvelocity–ThekineticSunyaevZel'dovicheffect?－.v()ddtggb(1)pvRefertoJain&ZPJ,2007arXiv:0709.2375fordetails??科大交叉学科理论研究中心，2008ConsistencycheckofGRatcosmologicalscales0233/32200222aHHaaHdadHdaddadTheexpansionrateTherateofstructuregrowthConsistencyrelationobservables科大交叉学科理论研究中心，2008ConsistencycheckofGR:Realdata!!Wangetal.2007arXiv:0705.0165ConsistentwithGRExpansionstructuregrowth科大交叉学科理论研究中心，2008自洽关系后面的物理0233/32200222aHHaaHdadHdaddad2()8G=/1182visibleuvu