宇宙學(xué)：回顧與展望,大連理工大學(xué)姜東光.ppt

宇宙學(xué)：回顧與展望 陸 埮 （中國科學(xué)院紫金山天文臺）,Feynman 名言,“物理學(xué)家具有這樣的習(xí)慣，對于任一類現(xiàn)象，研究它們的最簡單例子，把這稱為物理，而把更復(fù)雜的情況，看作其它領(lǐng)域的事。” R. P. Feynman,2,支配宇宙的力,Newton萬有引力： Einstein廣義相對論： 的故事,1,牛頓力學(xué)不能描述宇宙,Olbers Paradox Seeliger Paradox 不管宇宙有限還是無限，牛頓力學(xué)均不能描述宇宙。廣義相對論可以描述宇宙。,宇宙學(xué)原理,宇宙在大尺度上是各向同性的、均勻的。 宇宙沒有中心，也沒有邊界。 在任何一個典型星系上觀測宇宙及其規(guī)律都是一樣的。 宇宙在大尺度上可以看作一個以星系或星系團作為“分子”的均勻氣體。 起初，Einstein只把它看作一個簡化假設(shè)。 后得到大尺度觀測的支持。 最終得到微波背景輻射觀測的高精度的證實。,2,宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn),3,哈勃發(fā)現(xiàn),宇宙膨脹導(dǎo)致的紅移,哈勃關(guān)系的宇宙膨脹解釋,r(t),R(t),Milky Way 觀察者,宇宙膨脹允許超光速,星系能否超光速退行?,10,高紅移哈勃定律,按 Doppler效應(yīng)： 按宇宙膨脹解釋 :,哈勃年齡（1/H0）,必有誕生時刻,今天,真實年齡小于哈勃年齡,1929年，哈勃本人首次給出H0500（km s-1 Mpc-1）,1936年，哈勃考慮到星際消光的影響，將哈勃常數(shù)改 為H0=526, 誤差15%。（由此給出的宇宙哈勃年齡很短， 只有H0-1 = 1.84108 年。）,1956年，Humasion等人給出H0 = 180。,1961年，Sandage等人給出H0 = 9815。,1970s年， Sandage等人給出H0 = 50.34.3; de Vaculear等人給出H0 = 100 10。,哈勃常數(shù)測定的變遷,目前（2002）值：H0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 1/H0=(1.38 0.14)1010 年,大爆炸宇宙學(xué)的提出,4,大爆炸宇宙學(xué)的提出 Gamow: 1946-48,宇宙誕生于高溫高密狀態(tài)。 膨脹帶來宇宙的演化，從高溫、高密絕熱膨脹降溫、降密，經(jīng)歷各個演化階段。 可以明確計算每時每刻宇宙物態(tài)的變化、各種物理過程的發(fā)生以及引起的各種觀測特征。 大爆炸學(xué)說給出了宇宙的極為豐富而且確定的物理內(nèi)容，可供實在的觀測檢驗。,宇宙的演化,描述物態(tài)的變化 兩個判據(jù)： 成分判據(jù)： 1)粒子 2)束縛態(tài) 表明i粒子大量存在；j粒子合成 熱平衡判據(jù)： 表明i粒子能保持熱平衡,元 素 起 源,5,太陽系元素豐度（按 原子數(shù)計，以Si=106 歸一）。 Martin Harwit： Astrophysical Concepts 4th Edition，Springer,恒星開普勒-11，有6顆行星（均比地球大） 。可以有多達(dá)3顆行星同時凌星。此恒星離太陽2000光年。,2010年8月26日,開普勒空間望遠(yuǎn)鏡2010年3月升空,有3顆具有 氫和氦大氣， 類天王星。,開普勒-11恒星的6顆行星中有5顆（均比地球大），它們與恒星的距離均比水星到太陽的距離小。,2010年8月26日, 核合成溫度： 4He豐度： 基本上是 ，但要作中子衰變等修正。 與觀測結(jié)果相符得很好。,核合成時代,6,4He 原初核合成,中微子脫耦,原初核合成,衰變,溫度下降,原初核素成分的演化,時間與效率,宇宙早期許多事情均發(fā)生在極短時間內(nèi)。 宇宙頭3分鐘及時保存了中子。 重要的是效率，而不是時間。 從物理上看，效率決定于碰撞次數(shù)。宇宙早期，高溫高密，碰撞十分頻繁，正是高效時期，完全可以理解。 例：煤燃燒高溫高效。,中子是放射性的： 壽命1刻鐘,復(fù)合時代,復(fù)合溫度 Tr 3000 K (宇宙年齡38萬歲) 等離子體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為中性原子氣體 宇宙變成透明 按 ，復(fù)合時代的輻射成為今天的2.7 K微波背景輻射。,7,微波背景輻射是什么？,電視機屏幕上在沒有節(jié)目時呈現(xiàn)的雪花噪聲中就包含有微波背景輻射,無處不在！ 微波背景輻射是宇宙38萬歲時從3000度的高溫等離子體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為中性氣體而遺留下來的殘留余輝，現(xiàn)在的溫度只有約2.725度。 它是宇宙中最完美的黑體輻射。,微波背景輻射高度各向同性 19641965,A.A. Penzias，R.W. Wilson：3.51.0 (7-cm處),From Scott Kay Lecture,1978獲諾貝爾獎,COBE FIRAS成果 （J. Mather et al. 1990, ApJL, 354, 37）,9分鐘內(nèi)即測得宇宙微波背景輻射的完整的黑體譜：,196465,這張圖 涉及兩個 諾貝爾獎,COBEDMR成果 (G. Smoot et al. 1992, ApJL, 396, 1),在不同的方向上，果然發(fā)現(xiàn)有10-5大小的溫度起伏，不同的顏色代表不同的溫度。 這是所能看到的宇宙的最早圖象。好比看到了“上帝”的臉。 分辨率低。,今天,幼年,2006 獲諾貝爾獎,微波背景輻射的各 向異性：COBE （上）；WMAP （下）全天圖。 WMAP的分辨率 和靈敏度遠(yuǎn)高于 COBE。 Freedman & Turner, 2003, astro-ph/0308418,COBE & WMAP,32,宇宙幼年（38萬歲）的三張照片,33,3.5K 各向同性 1978諾貝爾獎,2.725K 各向異性10-5 2006諾貝爾獎,2.725K 分辨率10-6 2010邵逸夫獎,Bell,表 天體物理領(lǐng)域獲諾貝爾物理獎的8個年度、11個天體物理項目、15位天體物理學(xué)家,3,4,4,5,10,9,4,暗 物 質(zhì),8,光度方法與力學(xué)方法,用力學(xué)方法測出的質(zhì)量往往比用光度方法測出的質(zhì)量大得多，有量級之差。 測量范圍越大，差別越大 存在暗物質(zhì)（可大1個量級）: 有引力，卻不發(fā)光,星系旋轉(zhuǎn)曲線,觀測結(jié)果,計 算 結(jié) 果,Chandra X射線衛(wèi)星觀測到的子彈星系團。發(fā)光的是重子物質(zhì)，曲線 代表用引力透鏡觀測到的引力等勢面。顯見發(fā)光物質(zhì)和引力等勢面定 出的質(zhì)心并不重合，這是暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。 見畢效軍、秦波，物理，2011，40卷，13,Bullet Cluster,D. Clowe, ApJ, 2006, 648: L109,暴脹宇宙學(xué)的提出,9,暴脹宇宙學(xué),大爆炸宇宙學(xué)獲得巨大成功，仍存在三大困難： 1）均勻宇宙與因果性困難； 2）平直性困難； 3）磁單極子困難。 對大爆炸宇宙學(xué)的“微創(chuàng)手術(shù)”：暴漲宇宙學(xué)。 暴脹預(yù)言：宇宙是平直的，即宇宙物質(zhì)總密度等于臨界密度：,暴脹宇宙示意,宇宙膨脹： 加速還是減速,10,彷徨與徘徊幾十年,宇宙膨脹究竟減速還是加速？萬有引力只允許減速。 減速因子觀測分歧很大，矛盾百出！,Ia型超新星,當(dāng)吸積白矮星的質(zhì)量達(dá)到Chandrasekha極限，白矮星的爆燃而導(dǎo)致的超新星爆發(fā)。,找到了 標(biāo)準(zhǔn)燭光 光源,18個Ia型SN的平均峰值絕對星等：MB = -19.330.25 （Y.Wang, 2000, ApJ. 536. 531）,重要發(fā)現(xiàn)： 加速膨脹！,暗 能 量,11,暗能量的提出,暗能量的提出：負(fù)壓強。 真空中的能量。新物態(tài)。 宇宙學(xué)常數(shù)：,宇宙成分分配 Ostriker & Steinhardt, 2003, Science, 300, 1909,暗能量：73%；暗物質(zhì)：23%； 發(fā)光物質(zhì)：0.4%（恒星和發(fā)光氣體0.4%；輻射0.005%）； 不可見的普通物質(zhì)： 3.7%（星系際氣體3.6%； 中微子0.1%；超重黑洞0.04%）,2006年度邵逸夫天文獎 $1,000,000,獎給宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn),Saul Perlmutter， Adam Riess， Brian Schmidt,斯德哥爾摩10月4日電(記者劉仲華)瑞典皇家科學(xué)院4日宣布，將2011年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家索爾 珀爾馬特Saul Perlmutter 澳大利亞科學(xué)家布賴恩施密特Brian Schmidt 和美國科學(xué)家亞當(dāng)里斯Adam Riess 以表彰他們“通過觀測遙遠(yuǎn)的超新星而發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速擴張”這一重大發(fā)現(xiàn)。 今年諾貝爾物理學(xué)獎獎金仍為1000萬瑞典克朗（約148萬美元）,小 結(jié),宇宙學(xué)紅移是由宇宙膨脹造成，而非由于Doppler效應(yīng)。 宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)表明，宇