科大交叉学科理论研究中心， 2008 Confronting physics with the cosmos 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 Testing general relativity in the cosmos – 时空维度 – 场方程

科大交叉学科理论研究中心， 2008 Dark energy is bad for astronomy Dark energy can be good for astronomy ArXiv: ArXiv:

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 sterile neutrino 、、、 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， 2008 Laboratories in the cosmos

科大交叉学科理论研究中心， 2008 In observational astronomy, nothing is impossible (1) CMB （ 1978 and 2006 Nobel prizes) (2) Weak lensing. Measure images of million galaxies billions of light years away at 1% accuracy Wittman et al Fu et al A factor of ~100 improvement LSST Euclid SKA SNAP ~

科大交叉学科理论研究中心， 2008 They make dark energy "luminous"  Cluster abundace  Type Ia supernovae  Weak gravitational lensing  Peculiar velocity (bulk flow)  Baryon acoustic oscillation  CMB  mid-90s      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 ： CMB lensing

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 Testing general relativity in the cosmos – 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 –The kinetic Sunyaev Zel'dovich effect –Other probes  这个基本原理的破坏会导致什么？ –Dark energy as an illusion

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， 2008 The LTB universe  Lemaitre-Tolman-Bondi model –The universe is onion-like –Mass distribution is isotropic with respect to the center –But varies along the radial direction –We live near the center –Isotropic with respect to us (and only to us)

科大交叉学科理论研究中心， 2008 LTB: "cosmic accelaration" without dark energy 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， ， PRL arxiv: 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， 2008 Moving mirrors: the kinetic Sunyaev Zel'dovich effect 物质随动参考系 Violation of the Copernican principle  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 the kinetic Sunyaev Zel'dovich 效应 prediction observations 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 Testing general relativity in the cosmos – 时空维度 – 场方程

科大交叉学科理论研究中心， 2008 General relativity and GR tests from ~10^-5 m to ~10^13 m General principle of relativity Equivalence principle Field equation Confirmed at 10^(-13) General covarianceTensor analysis perihelion shift light deflection time dilation/frequency shift orbital decay (gravitational wave) time delay geodetic effect ?frame dragging effect (e.g.

科大交叉学科理论研究中心， 2008 额外维度（ 1 ）：引力波 Independent methods to measure the distances. –D(EM): from EM waves (SN, BAO, maser, etc) –D(GW): from gravitational waves (GW) If gravity is GR in 4D, then D(GW)=D(EM) Otherwise, interesting things can happen –Example: if GW can leak into the 5th dimension, as in 5D braneworld DGP, –D(GW)>D(EM) Deffayet & Menou, 2007 D(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 & Silk 2005

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

科大交叉学科理论研究中心， 2008 The standard cosmology is based upon GR and is consistent with observations Modified gravity minimally coupled to matter Dynamical DE Modified gravity non- minimally coupled to matter/energy Dark matter/dark energy? Modified gravity?

科大交叉学科理论研究中心， 2008 lensing SNe Ia BAO cluster abundance peculiar velocity CMB We are able to put everything together to reconstruct the elephant! the dark universe

科大交叉学科理论研究中心， 2008 Probes of the expansion (zeroth order) Type Ia supernovae (standard candles) Baryon acoustic oscillation in LSS and CMB (standard ruler) Fundamental plane, Faber-Jackson & Tully-Fisher of galaxies Age (globular clusters, galaxy age-z..) Gravitational lensing time delay SZ-X ray cluster fluxes Cluster gas fraction Gamma ray bursts Alcock-Paczynski (AP) test Water maser.... Standard sirens (GWs from black hole binaries) Sandage-Loeb test.....

科大交叉学科理论研究中心， 2008 Probes of the large scale structure (first order) They may not probe what we think that they probe!! gravitational potentials –Gravitational lensing –Galaxy/cluster peculiar velocities –The integrated Sachs-Wolfe effect density –galaxy clustering –cluster abundance fluid velocity –The kinetic Sunyaev Zel'dovich effect? Refer to Jain & ZPJ, 2007 arXiv: for details ? ?

科大交叉学科理论研究中心， 2008 Consistency check of GR at cosmological scales The expansion rate The rate of structure growth Consistency relation observables

科大交叉学科理论研究中心， 2008 Consistency check of GR: Real data!! Wang et al arXiv: Consistent with GR Expansion structure growth

科大交叉学科理论研究中心， 2008 自洽关系后面的物理 =

科大交叉学科理论研究中心， 2008 = ZPJ et al. 2007; Amendola et al Caldwell et al. 2007; Bertschinger& Zukin Also Uzan 2006 Hu & Sawicki 2007

科大交叉学科理论研究中心， 2008 引力透镜 cosmic shear 用我们 2005 年提 出的宇宙放大效应 分析方法 CMB/21cm lensing 本动速度： 利用红移畸变

科大交叉学科理论研究中心， 个引力模型 : GR ， f(R) ， DGP ， TeVeS 第四阶段宇宙学项目能够 在 1% 的精度上 在宇宙学尺度上 检验泊松方程！

科大交叉学科理论研究中心， 2008 ZPJ et al. to be submitted to PRL eta quantifies how a mass concentration distorts space with respect to time SKA forecast DGP TeVeS dark energy with anisotropic stress 测量时空的相对扰动： 结合这两种检验方法，在十年 到二十年之内，我们或者能够 在 1% 的精度上检验广义相对 论，或者能够在 1% 的精度上 否定广义相对论。 我们提出的检验方法依赖的假 设非常少，所以这个 1% 是一个 保守估计。 总之，二十年以内，一定有令 人振奋的事情发生。

科大交叉学科理论研究中心， 2008 总结  天文学正在成为探索基础物理规律的精密实验室  宇宙是一个巨大的交叉学科中心！

科大交叉学科理论研究中心， 2008 Sign of violation: the cosmic axis of evil 宇宙存在一个特殊取向？ 邪恶轴心！

科大交叉学科理论研究中心， 2008 Modifications in particle physics Modifications in general relativity Theories beyond the GR (with non-zero cc) +DM LCDM cosmology Dark matter WIMP Axion etc MG replacing DM MOND (TeVeS) etc Unified DM/DE DM/DE interaction Unified MG Dark energy Quintessence Phantom Quintom etc MG replacing DE DGP f(R) etc Cosmological consequences ExpansionWell understoodPartly understood Linear perturbationAlmost well understoodPartly understood Nonlinear evolution (simulations and/or semi-analytical cal.) Almost well understood for smooth DE Clustered DE: preliminary Preliminary

科大交叉学科理论研究中心， 2008 Testing the (generalized) Poisson Equation = Gravitational lensing from peculiar velocity ? Galaxy redshifts to recover redshift information (2D ->3D)

科大交叉学科理论研究中心， 2008 A discriminating probe of gravity No dependence on galaxy bias No dependence on the shape and amplitude of the matter power spectrum, in the linear regime Scale independent in LCDM and QCDM, whose amplitude is completely fixed by the expansion rate Contains smoking guns of modifications in gravity and particle physics Changes in the amplitude Violation of the scale independence Poisson equation! Linear density growth rate galaxy-galaxy lensing redshift distortion f