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| 暗物质构成宇宙的数理模型 |
| 作者:tongzr(xxx.xxx.xxx.xxx) 2003/02/13 22:14 | 字节:24K 点击:8次 帖号:28482 |
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第十一章 暗物质构成宇宙的数理模型 在已观测到的物质中,各星系的质量对宇宙平均密度有决定性的贡献,它的大小是 P = 3.1x10-28 kg/cm3 (11-1) 其它类型物质对密度的贡献都比星系低几个量极。例如,微波背景辐射的密度为10-32 kg /cm3;宇宙射线的密度为10-32 kg/cm3; 星光的密度为10-32 kg /cm3 ;X射线的密度为l0-34 kg/cm3 等等。所以(11-1)式中的数值就可以看做是已观测到的宇宙物质的总平均密度。 另一方面热大爆炸宇宙学的基本方程为
其中R(t)是宇宙的标度因子, k = -1, 0。 1,分别对应于开,平直,闭宇宙 ,由 (11-2) 和 (11-3)式消去
度量宇宙 膨胀的哈勃参量定义为
场方程 (11-4) 可改写成
其中
宇宙现时的能量密度和压强可由方程(11-2)和(11-3)得出
其中R0 是宇宙标度因子R(t)的现时值,H0 和q0是哈勃参数H和减速参数
(11-10) 现时哈勃参量的观测值是 H0 =50km · s-1 · Mpc-1 (11-11) 现时减速参量的观测值是 q0 = 1.0 ± 0.8 (11-12) 有足够的根据认为宇宙现时的能量密度主要决定于非相对论性物质,且满足 P0 << ρ0 那么,我们从 (11-9)可知 k / R02=(2q0 –1) H02 (11-14) 并由(11-8)式得到现时密度与临界密度的比为 ρ0 / ρ c = 2 q0 (11-15) 将(11-1)代入(11-15)式,得到 q0 = 0.02,这与q0 的观测值 (11-12)相差太大。这一结果表明不可视物质不仅必定存在,在宇宙 中至少90% 的物质一定由所谓非重子物质所组成,而且这类物质的电磁相互作用十分微弱,否则它们就不会如此之暗,以至于很难探测到。在上一节之中,我们已经讨论到单个WG 元粒子不可能对“WG以太”有较强的牵携, g=0,即WG元粒子的电磁相互作用十分弱,所以WG元粒子可以作为暗物质的候选者。 11.1. WG星 ¾ WG构成整个宇宙的数理分析 如果考虑到WG物质的分布密度为p(r),在牛顿力学的框架下WG物质将满足Poisson方程
其中V是WG物质的引力势, G是牛顿引力常数。另一方面,在非相对论性近似下,WG物质应当满足薛定谔方程
对于具有相同量子态的N个WG元粒子的物质密度分布为 ρ = N mw ψ*ψ (11.1-3) 其中单粒子波函数应满足规一化条件
我们现在研究球对称的WG星体,所以我们仅讨论系统的基态波函数,即n = 1, l = 0 态。球对称基态径向波函数在取无量纲的单位下,满足如下的方程组。
其中 r = h2 ·
薛定谔方程的边界条件:当u→∞ 时, Φ(u) → 0。由于我们仅考虑系统的基态,我们要求波函数Φ(u)不存在节点。利用常微分方程的Runge-Kutta 方法可以进行数值积分计算。数值积分给出基态的束缚态能E0 = -0.054 G2 N3 mw5 / h2 ,所以WG星的总能量M为
(11.1-12) 从上式很容易导出,WG星总能量的上限。M的最大值发生在
所以
另一方面,由于mw 的数值很小,如将mw=3.6x10-45kg 代入上式,容易发现 MMAX = 2.1 x 1036 g ≈ 10.5 x 103 M£ (11.1-14) 所以利用WG方案,确实可以解决宇宙的暗物质问题 11.2 WG星质量的解析研究 在牛顿力学的近似下,我们可以进一步对N个WG 元粒子系统能量作解析研究,两个WG元粒子之间的牛顿势为
由(11.2-1)式,N个WG元粒子之间的总哈密顿量为
其中
(12.2-3) 以氢原子的两体哈密顿量相比,我们发现N个WG元粒子的总哈密顿量仅有的差别是用质量
所以,我们有N个WG 元粒子的自引力系统的基态能量的下限:
这是一个初步的解析结果,如果进一步将质心动能分离出来,我们可以得到更好的解析结果。 利用数学恒等式
N个WG元粒子在它们的质心系中的相对运动是由下述哈密顿量描述 的
其中
定义 (
hij 的期望值的下限为
所以,基态的下限是
另一方面,如果利用试探波函数
并采用标准的变分技术,可以得 到基态能量的下限为
如果考虑到WG星是由大量的WG元粒子组成,则我们发现E0的上下限仅相差15%,我们可以取其平均值 , WG星体的平均质量M为
如将 mw=3.6 x 10-35 kg 代入上式,则
在图4中我们作出了 图 4
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