宇宙大爆炸和宇宙暗能量(簡1)分解課件

1、宇宙大爆炸彭秋和(南京大學天文系)太陽系木星土星天王星海王星水星金星地球火星類地行星類木行星日地距離 (1 AU天文單位)L 1.51013 厘米 = 1.5 億公里T 3.1107 秒 (1年)地球L離我們最近的恒星L 31018 厘米 4.3 光年 2.7 105 天文單位(AU)LCentauri Proxima(半人馬座)比鄰星銀河系我們在此8.6 kpc 2.8 x 104 ly10 25 厘米幾千個星系星系集團 (Hercules)最遙遠的星系L 1026 厘米TL 31015 sLSource: Hubble Space Telescope web page (Courtesy

2、NASA) 宇宙大尺度結構(bubbles 200 Mly across)可見宇宙的大小L 1028 厘米TL 31017 s 1010 yrSource: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA) Hubble 距離宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)Hubble的發(fā)現(xiàn) 宇宙膨脹光譜線的Doppler位移:光源接近我們時，光譜線向蘭端位移(蘭移)(光波波長變短)光源遠離我們時，光譜線向紅端位移(蘭移)(光波波長變長)V:光源相對于我們的速度(遠離為正, 接近為負); c:光速 在1924年Hubble觀測發(fā)現(xiàn)河外星系以后,他開始研究河外星系的光譜。他驚奇地發(fā)現(xiàn)

3、:除了最近的少數(shù)幾個河外星系外，幾乎所有較遙遠的河外星系的光譜線全部都呈現(xiàn)向紅端位移的現(xiàn)象，而且，距離愈遙遠的星系，譜線紅移量(z)愈大，幾乎與它們的距離成正比。所有遙遠的河外星系的光譜線全部都在遠離我們運動，而且距離愈遠的星系，遠離速度愈快。 宇宙正在膨脹 (Lematire, 1927)H: Hubble常數(shù)物理本質 宇宙學紅移光子的波長隨著宇宙的膨脹在同步膨脹。如何看待宇宙學紅移與Doppler紅移？宇宙學紅移是不是Doppler紅移?引力紅移引力紅移Einstein的靜態(tài)宇宙模型1915年Einstein建立廣義相對論物質引力時空彎曲1917年，Einstein將廣義相對論引力場方程應

4、用于宇宙的結構。在假設宇宙是無限大的、均勻的前提下，Einstein發(fā)現(xiàn)方程的解是不穩(wěn)定的，表明宇宙要么在膨脹或者要么在收縮。為求出引力場方程的均勻的和各向同性的靜態(tài)解， Einstein加入一個起斥力作用“宇宙常數(shù)”項,得到一個靜態(tài)宇宙模型。1922年，俄國數(shù)學家A. Friedman求得不含“宇宙常數(shù)”項的引力場方程的均勻的和各向同性的通解。在這個模型中宇宙是膨脹的，膨脹宇宙的演化取決于宇宙中的物質自引力或密度的大小?！拔疫@一生最大的錯誤就是錯誤地引進了宇宙常數(shù)項”(Einstein) 21世紀初天文學家發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹, Einstein 的宇宙常數(shù)項 成了現(xiàn)代宇宙學研究的中心環(huán)節(jié) 宇宙

5、暗能量的研究 (2002年以來)Lemaitre的原始原子理論1927年，比利時傳教士和天文學家G. Lematire重新得到Einstein引力場方程的Friedman解。Lematire指出哈勃觀測到的宇宙膨脹現(xiàn)象正是Einstein引力場方程所預言的。因此，過去的宇宙必定比今天的宇宙占有較小的空間的尺度、物質更有序。最理想的有序狀態(tài)莫過于整個宇宙的物質包含在一個原子里。因此、宇宙有一個起始之點，稱為“原始原子”。Abbe George LeMaitreThe father of the Big Bang cosmologyHubbles 1929 dataDistance (Mpc)Ve

6、locity (km/sec) 宇宙的年齡是有限的，它有一個起點。 星系退行速度和星系距離成正比 所有的天體在遠離我們而去， 宇宙在膨脹。1929年，哈勃僅用24個星系的觀測資料，做出了距離與視向速度的關系圖。Hubble定律假設宇宙勻速膨脹（速度不隨時間發(fā)生變化），由此可以得到星系退行的時間， t = d /V =1/ H0 150 億年 （ H0 65 km/s/Mpc ）宇宙熱大爆炸理論及其殘存的宇宙熱(微波)背景輻射Gamow 的宇宙熱大爆炸模型Hubble 定律告訴我們，我們所處的宇宙正在膨脹說明宇宙早期是高溫、高密的狀態(tài)1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源于約150

7、億年前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空間的膨脹，物質則隨著空間膨脹（宇宙是無中心的）。隨著宇宙膨脹和溫度降低，構成物質的原初元素相繼形成 。George Gamov“- - ”理論能解釋氘和氦的形成它最初主要觀念是:宇宙(包括地球、行星、太陽、恒星和星際物質)的所有較重的化學元素起源于宇宙熱大爆炸時代核合成的過程。 主要目標是錯誤的。但宇宙熱大爆炸模型是輝煌不朽的。宇宙膨脹物理規(guī)律同模(均勻)膨脹規(guī)律:單位體積輻射能： 單位體積物質靜止能: 宇宙半徑(或任兩點間距離)隨時間膨脹: (當 t 增長) (當 t 增加長)宇宙極早期, 物質處于高溫、高密度狀態(tài) 宇宙熱大爆炸 物質為主與輻射為主的宇

8、宙 宇宙中的物質包括可見物質與暗物質 輻射主要來自微波背景輻射 M (0.3-0.4) c = (0.3-0.4) 10 -29 g cm-3 R T TR4 / c2 = 4.810 -34 g cm-3 目前的宇宙是物質主導的 物質與輻射密度的演化宇宙膨脹導致物質與輻射密度隨時間減小。同時輻射還由于宇宙膨脹發(fā)生紅移。因此輻射密度比物質密度隨時間減小得更快。在宇宙早期是輻射主導的。輻射主導與物質主導時期的分界約在宇宙年齡為幾千年左右。物質密度隨紅移的演化關系為現(xiàn)在時刻宇宙的臨界密度為（取k、為零時）為討論方便通常引入密度參量Friedmanns equation顯然可以改寫為宇宙微波背景輻射

9、的理論預言(1948)Gamow 的宇宙熱大爆炸學說曾預言:宇宙大爆炸后，早期宇宙產生的熱輻射經宇宙膨脹后遺留下 5 K 的微波背景輻射。 遺憾:當時未引起物理學家和天文學家的重視與承認。原因: 1)Gamow學說的重點在于宇宙中所有較重的化學元素主要起源于 宇宙熱大爆炸。后來的研究表明：這是錯誤的。 2)理論學家和實驗家(天文觀測學家)互不了解、互不溝通信息。 3) 宇宙早期理論當時被當作天方夜談式的幻想!天文光譜學觀測的早期發(fā)現(xiàn)(1941)蛇夫座星3875 吸收線(星際 CN分子吸收線)的觀測研究發(fā)現(xiàn):它實際上為幾條光譜線。譜線R(0)為從基態(tài)向高 能級的躍遷P(1)、R(1) 兩條譜線對

10、應于從分子的第一激發(fā)態(tài)向高能級的躍遷分子振動能級躍遷分子轉動能級躍遷0.132cm0.264cm0.066cmR(0)P(1)R(1)R(2)J=3J=2J=1J=0J=3J=2J=1J=03873.369 3873.998 3875.763 3874.603 推論如果星際空間背景為0 K, 則CN分子只能處于基態(tài)。而P(1)、R(1)譜線的存在表明有一定數(shù)量的分子處于第一激發(fā)態(tài)。這是由于受到相當于2.3 K的輻射的激發(fā) 2.3 K的輻射(黑體輻射)對應于光波波長為0.624cm微波波區(qū)這表明星際空間可能充滿了2.3 K的背景輻射。遺憾: 當時的天文觀測者對膨脹宇宙學毫無了解。他們并未作出宇宙

11、學的結論。宇宙微波背景輻射宇宙大爆炸理論的觀測檢驗發(fā)現(xiàn)Gamov, Alpher和Herman 預言5-50K的宇宙大爆炸的殘余背景輻射。1964年Dicke, Peebles, Roll和Wilkinson計算得到背景輻射為溫度10 K的黑體輻射。1965年Penzias和Wilson在7.35厘米波長發(fā)現(xiàn)宇宙背景中存在溫度為3.5 K、各向同性的 黑體輻射。它被證實為宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background)1978 Nobel Prize winners宇宙微波背景特點1989年宇宙背景探測儀（COBE）對0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景輻射進行觀測 高

12、度各向同性（為宇宙學原理提供了強有力的支持） COBE觀測結果，微波背景的輻射溫度為 2.7280.004 K WMAP觀測結果為 2.7250.002 K宇宙暗物質問題暗物質?星系團的質量動力學質量:動力學平衡:離心力= (牛頓)引力光度質量:天文觀測發(fā)現(xiàn): (1940s)對星系團:矛盾: 丟失的質量 Missing mass 暗物質宇宙的物質組成及含量 銀河系以及其它旋渦星系的觀測發(fā)現(xiàn)存在平直旋轉曲線（延伸到發(fā)光區(qū)以外很遠的地方），這表明星系內部存在有巨大的、由暗物質組成的暈。 對星族 II 系統(tǒng)的動力學示蹤以及為解釋麥哲倫流的形態(tài)及動力學，均表明銀河系90%以上的質量由暗物質組成。大、小

13、麥哲倫云有一個共同的中性H包層，并向銀河系延伸形成麥哲倫流。 在星系組成的系統(tǒng)中的暗物質主要是通過分析本星系群內部成員星系的時變性；研究雙星系以及星系群內成員星系的動力學特征；以及星系團內部熱氣體的X-射線輻射等。為了束縛熱氣體，星系團內必定包含大量暗物質星系Abell 2390（上）和MS2137.3-2353 （下）的X射線（右）與光學（左）像。氣體與恒星的質量僅為束縛氣體所需質量的13% 暗物質的組成(What is the nature of Dark Matter?)觀測表明：visible matter 0.01 baryons 0.04 dark matter 0.3BBN +

14、CMB重子暗物質(a) 低光度恒星和恒星演化的殘存天體(b) 固體小天體(c) 中性和離子化氣體(d) 大質量黑洞非重子暗物質Massive neutrinoWIMPsAxionsNeutralinos新物理修正了的引力模型引力透鏡俘獲或觀測湮滅譜線 按照退偶時粒子的能量與其靜止質量相比較，天文學家把假想的暗物質候選體分為三大類：熱暗物質 (HDM)：如中微子，粒子質量很小，速度接近光速的粒子。 溫暗物質 (WDM)： 冷暗物質 (CDM)：如axion(?)，photino，粒子質量較大、速度較慢。 暗物質很可能同時包括熱暗物質和冷暗物質重子暗物質非重子暗物質暗能量此外，觀測以及理論表明：v

15、isible matter 0.01 baryons 0.04 dark matter 0.3 T 1 BBN + CMBInflationMissing energy component ！利用SNIa 的觀測確定遙遠宇宙的距離超新星分類1. 核心坍縮型超新星(SNII、SNIb,、SNIc)2. 吸積白矮星的熱核爆炸型超新星(SNIa)Ia 型超新星 (SNIa )爆發(fā)原因當吸積白矮星質量超過極限質量(Chandrasekhar 質量):廣義相對論效應(引力明顯超過牛頓引力)引起吸積白矮星坍縮。在白矮星坍縮過程中，密度、溫度急劇上升。當溫度上升到2108K以上時，點燃爆炸性的C燃燒，導致熱

16、核爆炸型超新星。即導致SNIa 爆發(fā)的主要因素是廣義相對論效應。整個星體熱核爆炸, 全部炸光。中心不遺留致密殘骸。爆炸拋射物( 104 公里/秒)向外擴張逐漸形成星云狀的超新星遺跡。宇宙學中的標準燭光 SNIa SNIa 各個SNIa 光極大時的光度幾乎相同，可以當作標準燭光。 視亮度=光度(真亮度)/D2由天文（測光）觀測可以測定SNIa 光極大時的視亮度(視星等)測定極遙遠星系的距離SN Ia 探測的宇宙學意義SN Ia 光變曲線的重要特征:幾乎所有的SN Ia 光變曲線形狀以及光譜都非常相似觀測發(fā)現(xiàn)所有的SN Ia在光極大時的絕對星等都相近:標準燭光 M絕對星等 - 20m ; M絕對星

17、等 = -2.5 log10 L 即, 所有的SN Ia在光極大時的光度(L)都幾乎相等。原因:所有的SN Ia 都是當吸積白矮星的質量增長Chandrasekhar臨界質量 Mch= 5.86Ye2 M條件下呈現(xiàn)爆發(fā)。引力束縛能相同。反映了它們爆炸時熱核燃燒性質及爆燃(爆轟)波傳播性質相近。SN Ia 距離的確定 M絕對星等 = m + 5 log D(pc) A + K A: 星際消光使視星等變暗; K:星系紅移引起的視亮度變化從SN Ia 視亮度(視星等)的測量可以確定它的寄主星系的距離(D)?？梢愿鼫蚀_地確定遙遠 星系紅移 距離關系。Ia型超新星宇宙學的歷史Phillips (1993

18、)觀測研究提出了Ia型超新星的標準燭光關系m15 是SNIa 光極大后15天內亮度下降的幅度。a和b是兩個參數(shù)，由低紅移的超新星定出。這就是超新星中的內稟關系。(理論上并未證明)。 利用這個關系,Riess et al. (1998)和Perlmutter et al. (1999)發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹，表明宇宙的大量能量以暗能量的形式存在宇宙暗能量M+ k+ = 1,平直空間, k=0, k =0 M+ = 1SN Ia 探測 0.7 , M 0.3“可見物質”(正常粒子) / 暗物質(冷暗物質) 15 30 % 宇宙以暗能量為主! 暗能量是?首先用4m望遠鏡監(jiān)測發(fā)現(xiàn)超新星，立即用Keck的10m反射望遠鏡精細觀測并拍攝它的光譜。可以發(fā)現(xiàn)和精細觀測非常遙遠(Z= 0.3 2.0)星系中爆發(fā)的SNIa, 由上述方法校準光度并測定距離后，就可以測定宇宙膨脹的減速因子(q0)和宇宙常數(shù)。2001-2002年, 美國幾個特大型地面望遠鏡對30多個SN Ia (在光極大前開始)進行探測，測定它們的距離，發(fā)現(xiàn)目前宇宙正處于加速膨脹階段。宇宙暗能量核天體物理學同(理論與實驗)核物理學(包括粒子物理