宇宙学研究的几个里程碑.课件.ppt

1、 “物理学家具有这样的习惯，对于任物理学家具有这样的习惯，对于任一类现象，研究它们的最简单例子，把这一类现象，研究它们的最简单例子，把这称为称为物理物理，而把更复杂的情况，看作，而把更复杂的情况，看作其它领域的事。其它领域的事。” R. P. Feynman 宇宙在大尺度上是均匀的，没有边界，也宇宙在大尺度上是均匀的，没有边界，也没有中心。没有中心。“一切平等一切平等。” 从每个典型星系上看到的宇宙是完全一样从每个典型星系上看到的宇宙是完全一样的。的。“没有任何一个地方有优先权没有任何一个地方有优先权。” 牛顿力学无法建立牛顿力学无法建立宇宙学的框架宇宙学的框架 广义相对论可以作为宇宙学的框架

2、广义相对论可以作为宇宙学的框架Hubble关系： DcHZee)/(/ )(0km/(s.Mpc) 10000hH 07. 071. 00h Einstein模型模型 Friedmann模型模型)sin()1/(22222222ddrrdrRdl)sin()1/()(22222222ddrkrdrtRdl Einstein方程： tt ss 消去 ，得宇宙动力学方程 临界密度（k0）： g/cm3TRgRcG4821RGRcP)(4323 222)(4222RGkcRRRcP 03820202GRkcHR23822RkcRG2298301088. 120hGHc膨胀动力决定于膨胀动力决定于（3

3、P/c3P/c2 2），），不只决定于不只决定于。RRtH/)(2/ RRRq 哈勃常数膨胀速度哈勃常数膨胀速度减速因子减速因子 热大爆炸宇宙学热大爆炸宇宙学1948，G. Gamow 两大成就：两大成就： 原初原初核合成核合成 微波背景辐射微波背景辐射1965， A.A. Penzias， R.W. Wilson轻核素合成轻核素合成背景辐射产生背景辐射产生结构形成结构形成高度各向同高度各向同 性性T2.728 K光子数密度光子数密度 400 cm-3宇宙曾经非宇宙曾经非 常均匀常均匀获诺贝尔奖之作获诺贝尔奖之作1965发现发现1978获奖获奖 早在早在19371937年，年，F. Zwick

4、yF. Zwicky指出，大星系团中指出，大星系团中的星系速度太大，以致无法将它们通过引的星系速度太大，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星系总质量估算值的100100倍以上。这是显示倍以上。这是显示大量暗物质存在的首次发现。大量暗物质存在的首次发现。 用力学方法测出的质量往往比用光度方法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。测出的质量大得多，有量级之差。 测量范围越大，差别越大测量范围越大，差别越大 存在存在暗物质暗物质（可大（可大1个量级）个量级）: 有引力，却不发光有引力，却不发光V

5、R-1/2(Kepler)V const7 spiral galaxies. The flatness indicates the presence of huge dark halos. (V.J. Martinez, astro-ph/0203377).巨大的暗晕：巨大的暗晕：存在暗物质存在暗物质 宇宙结构（恒星、星系）形成所需的物质远多于宇宙结构（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。宇宙核合成定出的重子物质。 如果没有暗物质，就没有足够的时间形成今天宇如果没有暗物质，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宙的结构。有了暗物质，就可以在复

6、合期前在暗物质中形成增长。物质中形成增长。 CMB非各向同性的存在，非各向同性的存在， 105。 暗物质不发光，却有引力。暗物质不发光，却有引力。 宇宙中暗物质比可见物质多得多。宇宙中暗物质比可见物质多得多。 暗物质粒子的主要性质：暗物质粒子的主要性质： 1 1）长寿命（至少与宇宙年龄相仿）；）长寿命（至少与宇宙年龄相仿）； 2 2）主要是冷的（质量大）；）主要是冷的（质量大）； 3 3）作用很弱。）作用很弱。 主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。 “过尽千帆皆不是过尽千帆皆不是（温庭筠（温庭筠 ）”！ 可能候选者：可能候选者：Neutralino、Axio

7、n等。等。 B B 1 1 大量存在非重子物质大量存在非重子物质 暗物质暗物质DMDM仍远小于仍远小于1 1 还缺什么？还缺什么？ 与与t的关系：的关系：Lhor(t)ct因果关系够得着的范围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）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）宇宙尺度因子（物质为主情形） Lhor随随t的增长比的增长比R快快tt0：nowtR：4105 yrtG：1036 sLhor(t) 1028 cm41023 cm3 1026 cmR(t)1028 cm1025 cm3 cm观测到的均匀在观测到的均匀在tG时包含时包

8、含(1026)3=1078个因果区个因果区universeearly 08/3/1122RGkc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！ )10(01)(55Gt (10-34, 10-32)秒存在暴胀秒存在暴胀 A H Guth1981 （宇宙尺度猛增了（宇宙尺度猛增了e100=1043倍，因此实际对倍，因此实际对应的是一个因果区的极小一部分，能满足因果应的是一个因果区的极小一部分，能满足因果率要求）率要求） 预言：预言： 无论辐射为主或物质为主，均增大无论辐射为主或物质为主，均增大)( 0)(|/11 |12为常数暴胀期Rtot1tot3s

9、RS 3/223/1)/(2 . 0)/11 (STGckgTbTfTgggg ,)8/7(今天的熵1086。如果守恒，如何起源？早期熵很大，就保证了 很小。)/11 ( 可测量：可测量：H（哈勃常数）（哈勃常数） q（减速因子）（减速因子） 长期无法测准，几十年争论不休长期无法测准，几十年争论不休 真实年龄小于哈勃年龄真实年龄小于哈勃年龄不管不管k k1 1、0 0、1 1，总有总有 如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄：如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄： t1/H0（称哈勃年龄）（称哈勃年龄） 存在引力，宇宙减速膨胀，存在引力，宇宙减速膨胀， 宇宙真正年龄宇宙真正年龄t1/H0： 哈勃年龄为哈勃年

10、龄为宇宙年龄上限宇宙年龄上限。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，（由此给出的宇宙哈勃年龄很短， 只有只有H0-1 = 1.84 108 年。）年。）1956年，Humasion等人给出H0 = 180。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哈勃常数测定的变迁目前（目前（20022002）值：）值：H

11、0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 1/H0=(1.38 0.14)1010 年年首先要选强的标准烛光光源首先要选强的标准烛光光源Ia型超新星型超新星 牛顿： 广义相对论： 物态： w0（非相对论）；1/3（相对论） 对于一般物质，w不可能是负的不可能是负的。RGRcP)(4323 2rGMa2/cwPTRgRcG4821TgRgRcG4821gTRgRcG4821空间空间物质物质 Einstein方程： 存在 相当于作如下变换： 提供了正密度正密度(c2/8G)， 负压强负压强(c4/8G)。TgRgRcG48214821TRgRcGgTTGc84GcGcPPP8842

12、正密度正密度负压强负压强暗能量暗能量代表一种代表一种“新物质新物质”(1)宇宙常数、真空能量宇宙常数、真空能量: w=-1 (2) Quintessence: -1w0(3) Phantom: w1z1的的IaIa型超新星型超新星左边为发现时刻的左边为发现时刻的超新星，中间为发超新星，中间为发现前的情形，后面现前的情形，后面为两者相减的结果。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。下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。宇宙膨胀宇宙膨胀微波背景辐射微波背景辐射宇宙大尺度结构宇宙大尺度结构核合成核合成哈勃常数哈勃常数等多方面检验限定。等多方面检验限定。微波背

13、景辐射的各微波背景辐射的各向异性：向异性：COBE（上）；（上）；WMAP（下）全天图。（下）全天图。WMAP的分辨率的分辨率和灵敏度远高于和灵敏度远高于COBE。Freedman & Turner, 2003, astro-ph/0308418宇宙微波背景辐宇宙微波背景辐射的各向异性：射的各向异性：综合所有综合所有WMAP前的数据的前的数据的CMB的角功率谱。的角功率谱。Freedman & Turner: 2003, astro-ph/0308418,( , )lmlml mTa YT 2llmCa ,( , )lmlml mTa YT CMB功率谱（WMAP）G. Hinshaw et

14、al, ApJS, 148(2003), 135红线代表最佳宇宙模型D.N. Spergel et al, ApJS, 148(2003), 175,( , )lmlml mTa YT 功率谱功率谱 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。超新星超新星微波背景辐射微波背景辐射大尺度结构大尺度结构和谐一致和谐一致可以看出，仅有可见可以看出，仅有可见物质和暗物质，不可物质和暗物质，不可能得到合理的结果。能得到合理的结果。A. Melchiorri, et al, PRD, 2003, 68, 043509

15、超新星超新星微波背景辐射各向异性微波背景辐射各向异性哈勃常数哈勃常数大尺度结构大尺度结构大爆炸核合成大爆炸核合成1/2cPw与宇宙常数接近与宇宙常数接近暗能量：暗能量：73%；暗物质：；暗物质：23%；发光物质：发光物质：0.4%（恒星和发光气体（恒星和发光气体0.4%；辐射；辐射0.005%）；）；不可见的普通物质：不可见的普通物质： 3.7%（星系际气体（星系际气体3.6%； 中微子中微子0.1%；超重黑洞；超重黑洞0.04%） Before WMAPWMAPHigh precision精确宇宙学的诞生精确宇宙学的诞生 物理学正是一片晴空，但也还有两朵乌云：物理学正是一片晴空，但也还有两朵

16、乌云： “以太以太”与与“黑体谱黑体谱”导致了世纪性的革导致了世纪性的革命命 相对论与量子力学。相对论与量子力学。 现在也有两朵乌云现在也有两朵乌云（三朵？四朵？）：（三朵？四朵？）： “暗能量暗能量”与与“暗物质暗物质”会导致什么？会导致什么？ 暗能量在召唤新的暗能量在召唤新的Einstein！将会出什么新的！将会出什么新的“招招”？ “暗能量暗能量”与与“以太以太”的比较耐人寻味！的比较耐人寻味！ 20世纪物理学的第一个世纪物理学的第一个“1/4”是黄金时是黄金时代，第三个代，第三个“1/4”是白银时代。是白银时代。 人们曾普遍惋惜未能赶上人们曾普遍惋惜未能赶上20世纪的黄金时世纪的黄金时代，现在很可能正是新世纪的黄金时代代，现在很可能正是新世纪的黄金时代” ！不要不要失之交臂失之交臂！ 与以太的比较：与以太的比较： Einstein去掉了以太，引出了相对论去掉了以太，引出了相对论 暗能量能去掉吗？暗能量能去掉吗？ 修改时空结构修改时空结构 修改物态修改物态 修改规律修改规律谢谢 谢谢Thank you