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良娜刘
5 years ago
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1 第九章宇宙学宇宙的起源和演化

2 上下四方曰宇往古来今为宙战国尸佼

3 牛顿宇宙观受牛顿力学规律支配的宇宙, 在时间和空间上都是无限的 ; 宇宙是永恒的稳定的 ; 宇宙中的物质分布是不均匀的绝对空间, 就其本性而论与任何外界情况无关, 始终保持相似和不变问题 : 物质不均匀存在中心宇宙不稳定引力宇宙坍缩解决办法 : 修改牛顿理论放弃经典时空概念 Isaac Newton

4 ( 空间弯曲, 时空度规 ~ 能动张量 )

5 Friedman 膨胀宇宙模型 v 1922 年, 俄国气象学家数学家 A. Friedman 求得不含宇宙常数项的引力场方程的均匀的和各向同性的通解 v 宇宙从一个奇点开始膨胀, 膨胀宇宙的演化取决于宇宙中的物质自引力或密度 ρ 的大小 A. Friedman

6 宇宙的命运类似于地球的逃逸速度 :~11.186km/s

7 Ω>1 Ω<1 Ω=1

8 星系的红移和蓝移雷达测速的原理 v 红移 - 速度的测量

10 太阳遥远的星系 ( 退行或接近的 v 远小于 c 时 )

11 星系红移和蓝移早期观测 v 美国天文学家 :Vesto Slipher v 1913 年,Slipher 发现 Andromeda( 仙女座星系 ) 的蓝移为 :~300km/s, 太阳绕银河系中心的速度为 :~220km/s, 仙女座星系与银河系的靠近速度约为 :~100km/s v 1915 年,Slipher 测量了 15 个星系, 其中 11 个红移, 两年以后, 发现另外 6 个星系存在红移 v 基本结论 : 仅近邻星系 ( 本星系群之内 ) 显示蓝移 ; 给出星系退行或接近的速度

12 河外星系 v 星云的发现 v 康德和拉普拉斯的星云假说 v 哈勃测定了星云的距离利用造父变星发现星系在退行宇宙在膨胀!!

13 宇宙的膨胀速度星等 ( 距离 )

14 V=H 0 d, H 0 ~500km/s/Mpc

15 Hubble 年龄 :~20 亿年

16 宇宙的实际年龄应该小于 Hubble 年龄, 因为宇宙在过去膨胀速度更快对平坦宇宙 : 宇宙的年龄问题 : 太阳系的年龄 :~45 亿年一些恒星的年龄 :~ 亿年 (Hoyle 等 ) 球状星团的年龄 :~120 亿年

17 Hubble 常数的测定 üwalter Baade 用 Mt Wilson 100in Hooker 望远镜, 发现仙女座星系中存在两类造父变星,Hubble 观测到的造父变星比那些用于距离定标的造父变星亮四倍 ( 实际距离应变大两倍 ):è H 0 ~250km/s/Mpc ühst: 观测到 19 个星系 ( 最远 :t~1.08 亿光年 ) 中 ~800 个造父变星 : è H 0 ~72 +/- 8 km/s/mpc ü 引力透镜观测 : è H 0 ~71 +/- 6 km/s/mpc üwmap: è H 0 ~73.5 +/- 3.5 km/s/mpc üwmap+ 其它观测 : è H 0 ~70.8 +/- 1.6 km/s/mpc üplanck (2013) : è H 0 ~67.3 +/- 1.2 km/s/mpc Hubble 年龄 :~140 亿年, 平坦宇宙年龄 :~93 亿年

18 ü 红移的定义 : ( 多普勒效应 ) 宇宙学红移 ü 宇宙学红移的解释 : 宇宙在膨胀, 尺度在增加例 :z=6.4 QSO,a~a obs /(1+6.4) ü 退行速度 (z 比较小的时候 ): 例 :3c273@z=0.158,v~cz~47000km/s, d~v/h 0 ~650Mpc, 比仙女座星系远 1000 倍

19 稳恒态宇宙学模型 ü 出发点 : 膨胀宇宙学模型中的年龄问题 ; 不喜欢宇宙起源于某瞬时 ü1948:herman Bondi, Thomas Gold, Fred Hoyle ü 完美的宇宙学原理 : 在任何时刻, 在宇宙的任何位置, 宇宙都是一样的, 宇宙没有中心 ü 宇宙在膨胀, 星系在分离, 新的物质 ( 氢原子 ) 不断在中间产生, 最后形成新的星系, 星系的密度不变 ü 宇宙既没有开始, 也没有结束

20 稳恒态还是大爆炸? ü60 年代, 观测检验 : 比较不同红移处星系的密度 ü 剑桥大学的 Martin Ryle, 发现过去射电星系的密度要高于现在射电星系的密度, 不支持稳恒态模型 ü1963 年, 宇宙微波背景的发现, 支持宇宙的大爆炸模型

大爆炸宇宙学 v 1940s Gamov 和 Alpher 首先提出宇宙起源于约 100-150 亿年前一次猛烈的巨大爆炸 v 宇宙的爆炸是空间的膨胀, 物质则随着空间膨胀 ( 宇宙是无中心的 ) v

21 大爆炸宇宙学 v 1940s Gamov 和 Alpher 首先提出宇宙起源于约亿年前一次猛烈的巨大爆炸 v 宇宙的爆炸是空间的膨胀, 物质则随着空间膨胀 ( 宇宙是无中心的 ) v 随着宇宙膨胀和温度降低, 构成物质的原初元素相继形成 v t~38 万年, 光子与电子退耦, 那时,z~1100,T~3000K, 目前 :~3K 温度的宇宙背景辐射 (Gamov:~5k) George Gamov

22 宇宙微波背景的发现 (137 亿年前宇宙的化石 ) ØR.H 迪克 60 年代寻找 5K CMB Ø1963 年, 彭齐亚斯, 威尔逊探测到信号 Ø1964 年, 排除噪声 Ø1965 年, 确认为宇宙的背景辐射 (~3.5+/-1.0K) Ø1978 年获诺贝尔物理学奖有心栽花花不开, 无心插柳柳成荫

23 COBE 卫星 v 1989 年发射的宇宙背景探测仪 (COBE) 对 0.5 毫米 - 10 厘米波段的宇宙背景辐射进行观测 à 高度各向同性 à2.73 K 黑体辐射 Cosmic Background Explorer

24 宇宙微波背景辐射的谱

25 暴涨 (Inflation) ü 1970s, 发现大爆炸宇宙学模型存在一些问题 1. 平坦性问题 2. 视界问题 ü 暴涨模型 :Alan Guth 可见的宇宙起初的大小和质子差不多大秒之后, 开始指数增长,10-32 秒时, 宇宙尺度约为 1 米, 增长了倍! 3. 暴涨之前, 可见宇宙足够小, 热平衡 ; 暴涨使得空间变平 ( 类比膨胀气球表面 )

27 大爆炸与原初轻元素的合成 ü 暴涨阶段引力势能的一半转化为动能, 再转化为基本等量的物质和反物质粒子 n B - n n B B ~ 10-9 ü 随着宇宙的膨胀, 正反物质湮灭 : 少量的重子物质 ( 主要以夸克形式存在 ), 处于高温辐射场中 ü t~1s, 夸克形成基本等量的质子和中子 ü 自由中子不稳定, 随着宇宙膨胀, 中子数会少一些 ü t~ 几分钟, 质子和中子形成 He 核 + 剩余的质子 + 电子 ü 75%He+25%H

28 微波背景辐射的各向异性 v 扣除微波背景辐射的偶极不对称和银河系尘埃辐射的影响后, 微波背景辐射表现出大小为十万分之几的温度变化 :~6x10-5 k v 这种细微的温度变化表明宇宙演化早期存在微小的不均匀性, 正是这种不均匀性导致了星系的形成 DT~6x10-5 K

29 2006 诺贝尔物理学奖 : 约翰马瑟和乔治斯穆特宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性约翰马瑟乔治斯穆特

30 ü t~38 万年, 光子能量足以电离原子, 等离子态 1. 辐射场与物质处于热平衡, 辐射场为黑体谱 2. 等离子体非常均匀, 因为光子搅拌 ü 冷却, 氢原子形成, 光子退耦开始时物质均匀分布, 均匀物质在引力的作用下开始成团, 形成恒星和星系 (6E-5à 需要 t~ 亿年 ) 但实际上, 星系在 t~10 亿年的时候已经存在! ü 暗物质非重子物质, 与辐射场无相互作用, 大爆炸之后就开始在引力的作用下成团, 重子物质和辐射场退耦之后, 重子物质开始在暗物质的引力势阱中快速成团, 形成星系

31 CMB 的不均匀性暗物质的影响 ü Sachs-Wolfe 效应 (1967):CMB 光子在暗物质引力势阱中的引力红移效应 ü 对应毫米波观测, 受水蒸汽吸收影响卫星 : COBE WMAP; 气球观测 :Boomerang 和 Maxima; 高海拔的沙漠 :CBI 和 VAS; 南极 :DASI

32 观测 CMB 可以给出宇宙曲率的信息

33 暗物质与暗能量 ü 暴涨和 CMB 观测给出宇宙是平坦的, 如果精确测量 H 0, 就可以给出可见宇宙的平均密度和总质量 ü 宇宙中总的发光物质只占总质量的 ~1%!99% 看不见! ü Massive Astronomical Compact Halo Objects( 不发光的重子物质 )? ü 重子物质只占 :~4% 1. 大爆炸产生的轻元素 ( 氢氦锂及其同位素 ) 的相对丰度依赖于重子 / 光子比, 给出 ~4% 上限 2. 如果有大量 MACHOs, 会产生微引力透镜, 最终被观测到 ; 无法解释 missing matter

34 暗物质的证据 ü 漩涡星系的旋转曲线 ü 星系团的动力学 (Zwicky 1930s,Coma) ü 星系中的热气体俘获 : 椭圆星系 NGC4555 中的总质量 10 倍于恒星的质量,300 倍于气体云的总质量

35 ü 引力透镜 ü 暗物质的比例 : 最直接的方法为分析 CMB fluctuations,~23%; 剩下的 ~73% 是什么?

36 Chandra

38 暗物质是什么? ü 目前仍然不清楚! ü 粒子物理的标准模型没有预言暗物质的存在, 新物理? ü 热暗物质 ( 中微子?) 和冷暗物质 ü 宇宙结构形成的模拟与 CMB 的不均匀性都需要冷暗物质占主导 ü 轴子 : 轻中性,Peccei-Quinn 理论预言 (1977), 数密度 :~10 13 /cm 3, 在强磁场中可以与光子相互转化 üwimp: Weakly Interacting Massive Particles( 例如 : neutralino)

40 暗能量 ü 宇宙中 ~73% 是暗能量 : 斥力, 会使宇宙加速膨胀 ü 开始时, 辐射场占主导, 接着物质占主导, 在这两个阶段, 宇宙减速膨胀再接着暗能量占主导, 宇宙加速膨胀 ü 暗能量存在的证据 : 用 SNIa 作为标准烛光定距离 (SNIa 具有基本确定的绝对光度和光变曲线 ), SNIa 光度很大, 可以测量 ~1000Mpc 的距离 ( 造父变星 :~10-20Mpc )

41 2011 诺奖 : 观测遥远超新星发现宇宙加速膨胀珀尔马特施密特里斯

42 暗能量的本质 ü 暗能量均匀, 密度极低 ~10-29 g/cm 3, 仅有重力 ( 斥力 ) 作用, 很难探测 ü 真空能?Heisenberg 不确定原理允许粒子不断产生和消失, 真空不是一无所有, 而是充满虚粒子对! 1. 例如 : 虚质子对,E=3x10-3 erg,t~3x10-25 s 2. 真空能实验 :Casimir 效应, 真空中两金属板足够近, 小于虚粒子对的波长, 两金属板之间相互吸引 ü 最简单的解释 - 宇宙学常数 :ΛCDM 模型

43 宇宙的组成宇宙成分 : 源于 CMB SNIa H0 星系空间分布等观测结果

45 适合智慧生命生存的宇宙 ü 人择原则 :Just Six Numbers by Martin Rees ü 1 Ω: 如太大, 宇宙很快塌缩, 生命没时间演化 ; 如太小, 星系与恒星不能够形成 ü 2 Λ: 如太大, 阻止恒星与星系的形成 ü 3 CMB 的不均匀性 - 涨落 ( ~ 10-5 ): 如太小, 暗物质的聚集度更小更松散导致星系的结构比较松散, 恒星的形成不有效, 行星系统就不能形成 ; 如 <10-6, 星系就根本不能形成! 如太大, 比星系更大的结构将随处形成, 并塌缩成超大质量黑洞 ( 没有生存处 )! ü 4 空间的维数 3 维 :2 维 /4 维度都不适合生命存在

46 ü 5 引力常数 G: 引力 / 电磁力 ~10-36, 如太大, 太阳和行星变小, 星系很小挤满恒星, 恒星相互作用, 不适合行星的形成 ; 小恒星很快耗尽核燃料, 生命来不及演化 ü 6 氢聚变产能率 ~0.007; 如太小,~0.006, 氘不稳定! 反应进行不下去 ; 如太大,~0.008, 核力比电磁力强, 质子 - 质子在一起, 不能留下氢原子, 作为恒星的燃料 ; 影响 3 alpha 过程, 从而影响 C 的形成, 生命需要碳! ü 多重宇宙? 为什么物理常数恰好适合生命的演化? 多重宇宙, 在我们宇宙的视界之外, 我们的宇宙是其中最幸运的一个!

47 ü 目前宇宙加速膨胀宇宙的命运 ü 假设在 t~1000 亿年, 我们将看到更远处, 但其它星系由于宇宙加速膨胀早已移出我们的视界, 除了自己的星系 ( 本星系群合并成一个星系 ), 宇宙空无一物! ü 那个时候无法了解宇宙的信息 :CMB 温度太低信号太弱, 无法探测 ü 可以从星系的化学丰度知道星系的年龄, 但是, 无法知道宇宙的演化 ( 仅有自己的星系 ), 如是否起源于 Big Bang ü 目前暗物质和暗能量相当, 且 CMB 易测, 我们从而推知暗能量存在及宇宙从大爆炸以来的演化和将来失控膨胀的命运 ü 如果宇宙太年轻, 暗能量不起主要作用, 无法知道暗能量的存在 ; 如果太老, 无法知道宇宙的膨胀及暗能量的存在, 恒星都已死亡, 关于宇宙形成与演化的所有证据都已消失!

52 The Scale of the Universe

54 Cosmic Origins

55 世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵, 一件是我们心中崇高的道德准则, 另一件是我们头顶上灿烂的星空康德宇宙最不可理解的是它是可以理解的爱因斯坦

Microsoft Word - bigbang.doc

Microsoft Word - bigbang.doc 1.2 大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学(Big Bang Cosmology)是由勒梅特(Georges Le Maitre) 伽莫夫 (George Gamow)等人提出的一种学说他们根据广义相对论统计热力学以及天文学上观测到的宇宙膨胀现象推论,我们所处的宇宙其存在的时间是有限的早期的宇宙曾处在高温度高密度的状态下随着宇宙膨胀其温度密度逐渐降低并最终形成我们今日所见的宇宙英国科学家霍伊尔(Fred