《宇宙学常识》PPT课件.ppt

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1、关于星空和宇宙的一些常识和当今的一些猜想,物理科学与工程技术学院,为了什么？,一.意义二.星空三.宇宙学实验、模型和猜想四.展望,珠海 2007.5-22,一.意义,Record of SUPERNOVA on ORACLE 1300 BC,140533，郑和七下西洋1492，哥伦布发现新大陆，151921，麦哲伦环球航行1602，荷兰东印度公司成立,航海：指南针和观星术,Tycho 1570-1601,On 11th November 1572 the constellation of Cassiopeia 仙后座.Tycho Brahe,Observatory on Hven5%of it

2、s Gross National Product of Denmark,2004年5月22日X-ray image byChandra Observatory,珠海 2007.5-22,Johannes Kepler,1571-1630,T=k R3/2,北京的第谷观星台康熙十三年（1674）,对科学没有任何促进！,为什么？,没有科学精神！,珠海 2007.5-22,700 b.c.,宇宙学的科学动机：求知,屈原天问,宇宙初始形成遵循什么规律？宇宙形成之前又如何考究？深遂的宇宙有限还是无限？如何认识复杂的宇宙？,珠海 2007.5-22,温家宝：一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望；一个民

3、族只是关心脚下的事情，那是没有未来的。希望同学们经常仰望天空，学会做人，学会思考,羊城晚报2007年5月17日,珠海 2007.5-22,二.星空,珠海 2007.5-22,秋夜星空,共88个星座室女座virgo,Milky Way Galaxy,珠海 2007.5-22,银河系示意图,几乎夜间所有看得见的恒星都只是太阳附近银盘厚度范围内的星体。,Of the 200 or so globular clusters that survive today,M3 is one of the largest and brightest,easily visible in the Northern h

4、emisphere with binoculars.M3 contains about half a million stars,most of which are old and red.Light takes about 35,000 years to reach us from M3,which spans about 150 light years.,Ferdinand Magellan and his crew had plenty of time to study the southern sky during the first circumnavigation of plane

5、t Earth(1492).,NGC 290 lies about 200,000 light-years distant in a neighboring galaxy called the Small Cloud of Magellan(SMC).,Open Cluster,恒星形成,Jeans 密度涨落机制,恒星不是逐个地形成的，而是成批地形成的。,某区域的气体在自身引力作用下向其质心坍缩，直至达到力学平衡形成原恒星。这是一个很快的过程。,原恒星在星云中形成时的手指结构，照片中是老鹰星云M16中的情景，三个柱状气体云顶端可见一些突出的手指一样的结构，其顶端就是一个原恒星。,猎户座马头星云

6、中的原恒星形成(哈伯望远镜)。,原恒星收缩要释放引力势能，其中一部分转化成动能，从而使中心区温度升高。当中心温度升到107K左右，核心区将发生氢转化为氦的热核反应。逐渐地，热核反应释放的能量足以补偿星体表面的辐射能，星体的缓慢收缩结束，终于成为一颗恒星。,赫罗图,1907-1911年(丹麦)E.Hertzsprung光度颜色1913年（美国）光度谱型,可利用它测量恒星距离（小于3万光年）,主序星是恒星的第一阶段：以氢为燃料，维持力学、热学平衡。,原恒星的寿命：,太阳年龄 年,太阳寿命 年,宋朝（1054）,金牛座星蟹状星云,恒星的谢幕：通过抛出物质死亡，在中间留下中子星。,珠海 2007.5-

7、22,仙女座大星云,河外星系-银河系的邻近星系 与银河系很相似 星系在宇宙中的分布比较均匀,珠海 2007.5-22,星 系 种 种,珠海 2007.5-22,星系团-Tyson照片,黄色的天体构 成星系团暗弱的兰色星 系构成弧状，是远处星系的 引力透镜像,单位pc,1pc=3.26光年,超团，超空洞,泡沫状结构：超团分布在超空洞的壁上,珠海 2007.5-22,三.宇宙学实验和模型,珠海 2007.5-22,宇宙：天地万物的总称 四方上下曰宇，古往今来曰宙 宇宙是物质世界，不依赖于人的意识而客观存在，并处在不断的运动和发展中，在时间上没有开始开始没有终了，在空间上没有边界没有尽头。,辞海（上

8、海辞书出版社1999）,？,珠海 2007.5-22,宇宙时空非时空部分宇宙所有存在，包括物质和能量宇宙和人有关的宇宙宇宙空间尺度1091010pc？时间尺度1010年？,物理的宇宙,珠海 2007.5-22,十个里程碑陆埮院士,中国科学院 紫金山天文台,支配宇宙的力（万有引力）的发现（Kepler1619,Newton1687）星系与大尺度结构的发现（Shapley1918,Hubble1923）广义相对论的创建：正确的研究框架(Einstein,1916)宇宙膨胀的发现（Hubble1929,Friedmann1922）大爆炸宇宙学的提出与检验（Penzias+Wilson1965,Gam

9、ow 1948）暗物质的发现(Zwicky 1933,众人1984以后认为非重子暗物质为主)暴胀宇宙学（80）宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出）(2003)微波背景辐射各向异性的发现(1992-2003)精确宇宙学和谐宇宙学（2000-）,珠海 2007.5-22,1.广义相对论的创建 正确的研究框架,珠海 2007.5-22,用108pc的尺子看宇宙,可能一切都变得简单：,密度：,温度：,宇宙学原理：均匀，各向同性,珠海 2007.5-22,简单问题,困难答案,高价值,学术价值定律,宇宙学迷人之处！,牛顿力学不能为宇宙学提供正确的研究框架（无论有限还是无限）,如果有限，问：1）中心在哪里？2

10、）边界在哪里？边界外是什么？,珠海 2007.5-22,如果无限，问：1）Olbers之谜(夜里为什么天黑？)2）Sieliger之谜(无解),珠海 2007.5-22,Olbers 之谜,亮度与距离平方成反比。不同距离上贡献的总亮度是一样的。无限大空间贡献的将是无限亮。黑夜应当是明亮的(无限亮)。,珠海 2007.5-22,Sieliger 之谜,引力也是与距离平方成反比。从无限宇宙来看，引力势会出现无限大或不确定。,设宇宙是各向同性的。m的引力势等于绿色球的质量全部集中在圆心在m处产生的引力势。但对无限宇宙，绿色球的大小不确定。,珠海 2007.5-22,广义相对论,物质和能量使空间弯曲

11、空间弯曲等于引力场 自由落体沿弯曲空间的短程线运动（使原时最短），不用计算引力的作用。,珠海 2007.5-22,何为弯曲空间？,曲率,A,B,弯曲的曲面可以有限但无边,一般的 d 维弯曲空间 线元长度的平方可现成：,坐标,度规场,引力场,四阶黎曼曲率张量,仿射联络,物理时空：d=4,二阶里兹（Ricci）张量,总曲率（标量）,质点的短程线方程,相当于仅受引力作用的质点的牛顿第二定律,珠海 2007.5-22,宇宙常数标准模型0,爱因斯坦引力场方程,爱因斯坦张量,描写弯曲的几何量 物质量（与能量和动量有关的量）,能量动量密度张量,爱因斯坦引力场方程,珠海 2007.5-22,在缓变弱场极限下,

12、牛顿极限缓变弱场极限,由短程线方程得,由0的爱因斯坦场方程得,利用质点的能量动量密度张量,与牛顿引力方程一致：,珠海 2007.5-22,宇宙学原理和Robertson-Walker度规,宇宙学原理：在大于108pc的尺度，宇宙可以看作是均匀和各向同性的。,Robertson-Walker度规（数学）,r,是规定在介质上的共动坐标，t是固有时。k称为曲率因子，当k=-1,0,+1分别对应三维空间的负、零和正曲率。R(t)是一个空间尺度因子，称为宇宙标度因子（与前面定义的标量曲率意义不同）。,3维空间的曲率k/R2(t)半径为r的“3维空间圆面积”宇宙的“3维空间体积”R(t)有点像宇宙半径！,

13、珠海 2007.5-22,爱因斯坦宇宙,静态线元：空间有限而无边，时间无限爱因斯坦模型经不起微扰，不稳定这是第一个现代宇宙学模型,如果没有项，爱因斯坦方程不允许静止宇宙解。,珠海 2007.5-22,宇宙是稳定的吗？,珠海 2007.5-22,2.宇宙膨胀的发现,星系红移量,哈勃红移定律,哈勃常数（1929),即退行速度,离我们越远，退行速度越大：宇宙膨胀！,珠海 2007.5-22,哈勃,红移定律,各向同性,近日由Ia型超新星确定的H0,珠海 2007.5-22,Friedmann宇宙模型,动态宇宙，R-W度规，0,Einstein场方程：,质量守恒,物态方程,可证，哈勃常数,珠海 2007

14、.5-22,宇宙膨胀曲线,k=+1 封闭，有限k=0 平直，无限k=1 开放，无限,珠海 2007.5-22,3.大爆炸宇宙学的提出,根据膨胀倒退回去，必有个起始点膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝热膨胀降温、降密，经历各个演化阶段可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、各种物理过程的发生以及引起的各种观测特征,珠海 2007.5-22,1929年，哈勃本人首次给出H0500（km s-1 Mpc-1）,1936年，哈勃考虑到星际消光的影响，将哈勃常数改 为H0=526,误差15%。（由此给出的宇宙哈勃年龄 很短，只有H0-1=1.84108 年。）,1956年，Humasion等人给出H0=18

15、0。,1961年，Sandage等人给出H0=9815。,1970s年，Sandage等人给出H0=50.34.3;de Vaculear等人给出H0=100 10。,哈勃常数测定的变迁,目前（2002）值：H0=(717)0.951.15 1/H0=(1.38 0.14)1010 年,珠海 2007.5-22,哈勃年龄（1/H0）,真实年龄小于哈勃年龄,珠海 2007.5-22,宇宙膨胀而降温，温度能代表宇宙的年龄（时间）温度也能代表物质的状态，代表构成物质的粒子的平均动能：温度还容易测量：测辐射的波长或频率,珠海 2007.5-22,演化宇宙的两大检验,热大爆炸宇宙学1948，G.Gamo

16、w两大成就：原初核合成 微波背景辐射1965，A.A.Penzias，R.W.Wilson,珠海 2007.5-22,高度各向同 性T2.728 K光子数密度 400 cm-3宇宙曾经非 常均匀,微波背景辐射的成功（1965）,获诺贝尔奖之作1965发现1978获奖,珠海 2007.5-22,4.暗物质的发现,1937年，F.Zwicky指出，大星系团中的星系速度太大，以致无法将它们通过引力束缚住，除非它们的质量超过按星系团星系总质量估算值的100倍以上。这是显示大量暗物质存在的首次发现。,星系暗晕质量,Kepler模型,实验,发光区外速度基本上为常数！,故：,暗晕的大小目前还不清楚。暗晕的质

17、量是可见星体质量的若干倍。,珠海 2007.5-22,力学与光学方法测量,用力学方法测出的质量往往比用光度方法测出的质量大得多，有量级之差。测量范围越大，差别越大存在暗物质（可大1个量级）:有引力，却不发光,珠海 2007.5-22,7 spiral galaxies.The flatness indicates the presence of huge dark halos.(V.J.Martinez,astro-ph/0203377).,巨大的暗晕：存在暗物质,珠海 2007.5-22,暗物质存在的其他证据,宇宙结构（恒星、星系）形成所需的物质远多于宇宙核合成定出的重子物质。如果没有暗物质

18、，就没有足够的时间形成今天宇宙的结构。有了暗物质，就可以在复合期前在暗物质中形成增长。CMB非各向同性的存在，105。暗物质究竟有多少？,珠海 2007.5-22,暗物质的性质,暗物质不发光，却有引力。宇宙中暗物质比可见物质多得多。暗物质粒子的主要性质：1）长寿命（至少与宇宙年龄相仿）；2）主要是冷的（质量大）；3）作用很弱。主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。可能候选者：Neutralino、Axion等。,珠海 2007.5-22,7.暴胀宇宙学,总体上，大爆炸宇宙学十分成功。存在三大难题：1）视界问题（因果性问题）；2）平直性问题（几何）；3）反物质问题。一个重要预言。,视 界 问 题,

19、与t的关系：Lhor(t)ct因果关系够得着的范围R(t)t1/2宇宙尺度因子（辐射为主情形）R(t)t2/3宇宙尺度因子（物质为主情形）Lhor随t的增长比R快,观测到的均匀在tG时包含(1026)3=1078个因果区,珠海 2007.5-22,平直性问题,宇宙早期物质密度永远十分接近于临界密度！宇宙空间是平直的。为什么？除非有特殊机制保证如此！,珠海 2007.5-22,暴 胀,珠海 2007.5-22,暴胀相变,真空态为一个常数早期演化：辐射为主真空为主（过冷态暴胀）相变（接大爆炸宇宙学）重大预言：,珠海 2007.5-22,尺度,10-31R(t0),10-74R(t0),10-43,

20、时间（秒）,10-35,R(t0),10-33,31011(光子脱耦),51017(今天),视界,暴胀,膨胀,暴胀示意,珠海 2007.5-22,彷徨与徘徊,暴胀模型有待检验。宇宙物质组成究竟如何？可见物质多少？暗物质多少？可见物质约占临界密度的4，暗物质达不到暴胀要求？减速因子观测分歧很大？宇宙年龄也常出现问题。,珠海 2007.5-22,8.宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出）,标准烛光与Ia型超新星宇宙加速膨胀的发现暗能量的提出：负压强,Ia型超新星,当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。,珠海 2007.5-22,超新星分类：II型有氢线（大

21、质量恒星的塌缩）Ia型没有氢线（白矮星吸积到Chandrasekhar极限质量）Ib型没有氢线、富氦（大质量恒星的塌缩）Ic型没有氢线、贫氦（大质量恒星的塌缩）,超新星,珠海 2007.5-22,18个Ia型SN的平均峰值绝对星等：MB=-19.330.25（Y.Wang,2000,ApJ.536.531）,重要发现：加速膨胀！,珠海 2007.5-22,暗 能 量,Einstein方程显然，物质（）产生引力，导致减速；而产生斥力，导致加速。上面“c2/4G”项实际包括两项，即“3P/c2”，其中=c2/8G，P=c4/8G。,珠海 2007.5-22,宇宙年龄的下限,宇宙年龄大于任何天体的年

22、龄：地球年龄：放射性测量 太阳系年龄：年龄最大的球状星团：t=(1.50.4)1010 年 为宇宙年龄下限,珠海 2007.5-22,宇宙年龄的上限,如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄：t1/H0（称哈勃年龄）存在引力，宇宙减速膨胀，t1/H0：哈勃年龄为宇宙年龄上限。,珠海 2007.5-22,哈勃年龄（1/H0）,真实年龄小于哈勃年龄,珠海 2007.5-22,真实年龄大于哈勃年龄（这一情形在宇宙常数不为0时可能出现）,哈勃年龄（1/H0）,珠海 2007.5-22,L.M.Krauss,Scientific American,1999,减速,加速,珠海 2007.5-22,观测到过去的减速，

23、今天的加速。,珠海 2007.5-22,Riess,A.G.et al.,astro-ph/0402512To be published in ApJ,June,2004,16个z1的Ia型超新星,左边为发现时刻的超新星，中间为发现前的情形，后面为两者相减的结果。,下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。,珠海 2007.5-22,暗能量模型,宇宙常数、真空能量:w=-1(2)Quintessence:-1w0(3)Phantom:w-1(4)Quintom,珠海 2007.5-22,9.微波背景辐射各向异性的发现,珠海 2007.5-22,微波背景辐射的各向异性：COBE（上）；W

24、MAP（下）全天图。WMAP的分辨率和灵敏度远高于COBE。Freedman&Turner,2003,astro-ph/0308418,珠海 2007.5-22,检验暴胀模型,WMAP结合H0和Ia超新星，或结合大尺度结构数据，可以限定|1-tot|0.03。WMAP支持暴胀模型的近似标度不变涨落谱的预言。,珠海 2007.5-22,宇宙微波背景辐射的各向异性：综合所有WMAP前的数据的CMB的角功率谱。,Freedman&Turner:2003,astro-ph/0308418,珠海 2007.5-22,CMB功率谱（WMAP）G.Hinshaw et al,ApJS,148(2003),1

25、35,红线代表最佳宇宙模型D.N.Spergel et al,ApJS,148(2003),175,功率谱,珠海 2007.5-22,10.精确宇宙学和谐宇宙学,珠海 2007.5-22,1998-2003:和谐宇宙模型,超新星微波背景辐射大尺度结构和谐一致,可以看出，仅有可见物质和暗物质，不可能得到合理的结果。,珠海 2007.5-22,A.Melchiorri,et al,PRD,2003,68,043509,超新星微波背景辐射各向异性哈勃常数大尺度结构大爆炸核合成,与宇宙常数接近,珠海 2007.5-22,宇宙成分分配 Ostriker&Steinhardt,2003,Science,300,1909,暗能量：73%；暗物质：23%；发光物质：0.4%（恒星和发光气体0.4%；辐射0.005%）；不可见的普通物质：3.7%（星系际气体3.6%；中微子0.1%；超重黑洞0.04%）,珠海 2007.5-22,Before WMAP,WMAP,High precision,精确宇宙学的诞生,珠海 2007.5-22,四.展望,珠海 2007.5-22,精确宇宙学超越爱因斯坦,“超越爱因斯坦”计划,最亮的超新星1012太阳光度!,珠海 2007.5-22,你们大有机会！祝各位学业有成。,