清华大学天文学导论11宇宙学课件.ppt

1、天文学导论第第11讲讲宇宙学宇宙学 A man said to the universe:“Sir,I exist!”“However,”replied the universe,“The fact has not created in meA sense of obligation.”Stephen Crane(18711900)本讲内容1.宇宙学原理2.宇宙在膨胀3.宇宙起源于一次大爆炸4.宇宙微波背景辐射5.宇宙的密度与形状（加速膨胀与暗能量）6.暴胀宇宙7.宇宙大尺度结构的形成（暗物质8.宇宙的演化史9.结束语1。宇宙学原理。宇宙学原理 Cosmological Principal 宇

2、宙学原理：无论身处宇宙的何处，“观测者”所看到的宇宙都是相同的 物理规律的普适性 宇宙学原理的两个推论：宇宙中的物质分布是均匀的（空间尺度足够大）宇宙是各向同性的 宇宙学原理表明宇宙既要均匀又要各向同性 数十年的观测证明宇宙学原理是经得起检验的1.1 宇宙中物质是均匀分布的(Homogeneity)宇宙在大尺度上（大于几亿光年的超团尺度）均匀 迄今没有发现尺度超过 6亿光年的结构（宇宙是无边界的）105 galaxies宇宙大尺度上的均匀性 约100万个星系在约30度天空范围内和约20亿光年距离以内的分布 在这个尺度上，每个方向的星系计数大致相同宇宙小尺度上的非均匀性 距离最近（约5亿光年距离

3、以内）的15,000个星系的全天图。在这个尺度上，宇宙中星系的分布根本不均匀而是趋于成团的本超星系团隐带隐带 英仙-双鱼超团 1.2 宇宙是各向同性的(Isotropy)从任何方向看，我们的宇宙大致都是相同的（宇宙没有中心）身处宇宙任何地方的“观测者”向任何方向看都能得到相同的哈勃定律均匀，各向同性均匀，各向同性不均匀，不各向同性不均匀，不各向同性均匀，不各向同性均匀，不各向同性均匀，不各向同性均匀，不各向同性2。宇宙在膨胀 The Expanding Universe 1920s，维斯托 斯莱弗（Vesto Slipher）：绝大部分星系的吸收线红移 星系都在远离我们而去 星系的退行速度 1

4、929，埃德温 哈勃（Edwin Hubble）：星系距离+星系退行速度 星系退行速度与距离成正比：Vr H0D，即哈勃定律 大爆炸宇宙学的重要观测证据之一哈勃图 Hubble Diagram 由于造父变星的周光关系的定标问题，哈勃低估了星系距离，由此得出的哈勃常数是现代值的7倍之多！H0=500 km/s/Mpc H0714 km/s/Mpc哈勃的数据 现代的数据3。宇宙开始于一次大爆炸 哈勃定律：所有星系在过去是叠加在一起的 宇宙的一切（物质与辐射、能量）起源于一点，即宇宙开始于一次大爆炸（the big bang）!哈勃时间（Hubble time）1/H0 哈勃定律表明星系之间相互远离

5、所持续的时间相同，称为哈勃时间（与具体的星系及其距离无关）等速膨胀 1/H0 即为宇宙年龄 H071 km/s/Mpc 宇宙年龄 137亿年哈勃时间时间距离距离速度距离 00H1H宇宙学家很尴尬 我们的宇宙有一个起点（时间）但这个起点在哪里？宇宙大爆炸发生在任何一个地方 如果大爆炸点不同于宇宙其它地方 违背宇宙无中心原理？大爆炸不是简单地把物质抛向空间！（中心和边界）宇宙即创生？星系并非自身在时空中相互远离，而是宇宙自身的膨胀使得构成宇宙的星系相互远离 宇宙大爆炸是宇宙自身时空（空间、时间、物质与能量）的创生与膨胀！尺度因子 scale factor（R）宇宙的膨胀以尺度因子R来量度，无量纲化

6、宇宙大小 R随宇宙膨胀而变大 过于1 大爆炸的初期，宇宙很小 T=1天，几倍太阳系 T=1/50秒，地球大小.,原子，质子，.宇宙的膨胀不影响局域的物理规律：原子、恒星、星系或任何别的事情红移是宇宙尺度因子改变的结果 红移直接测量辐射发出时的宇宙尺度因子，即自从辐射发出以后宇宙尺度因子的改变zzR11)(Z=0,R=1Z=1,R=1/2Z=2,R=1/3.勒梅特的原始原子论 1927年，比利时教士与天文学家勒梅特（Georges Lematre）指出哈勃所观测到的宇宙膨胀现象正是爱因斯坦引力场方程（广义相对论描述宇宙）所预言的 因此，过去的宇宙必定比今天的宇宙占有较小的空间尺度。并且，宇宙有一

7、个起始之点，称为“原始原子”（哈勃定律 宇宙膨胀、宇宙加速膨胀！）大爆炸宇宙学 1940s,伽莫夫（Gamov）和其学生阿尔夫（Alpher）首先提出宇宙起源于约150亿年前一次猛烈的巨大爆炸 1948年4月1日，发表论文的作者顺序：Alpher、Bethe贝特和Gamov 大爆炸宇宙学 随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形成 预言轻元素丰度 预言宇宙大爆炸的5-10K残余背景辐射！!霍伊尔：稳恒态宇宙模型 1948年，弗雷德霍伊尔（1915-2001）与汤米戈尔德、赫尔曼邦迪 1960年代，CMB等，更新 1949年，BBC，“The Big Bang 大爆炸”，嘲笑大爆炸模型。

8、“奇点”！？元素合成理论：著名B2FH理论 1983年诺贝尔物理学奖授予福勒 许多研究成果不符合正统的学术观点4.宇宙微波背景辐射 The Cosmic Microwave Background(CMB)1948年,Alpher,Bethe 和 Gamov 预言 5-10K 的宇宙大爆炸的残余背景辐射 1964年,Dicke,Peebles,Roll 和 Wilkinson 计算得到背景辐射为温度 10K 的黑体辐射。准备去寻找.没找到CMB 的发现 1965年,贝尔实验室的彭齐亚斯Penzias和威尔逊Wilson 在7.35厘米波长发现宇宙背景中存在温度为 3 K且各向同性的黑体辐射，即宇

9、宙微波背景辐射 20世纪60年代四大天文发现之一，大爆炸观测证据This sugar scoop antenna,originally built to communicate with Earth-orbiting satellites,was used in discovering the 3 K CMB.Robert Wilson(left)and Arno Penzias,who used the antenna to make the discovery 1979 Nobel Prize in physicsmax0.29 cmK 0.1 cmTCMB的观测特征 1989年，宇宙背景

10、探测仪（Cosmic Background Explorer COBE）卫星对0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景辐射进行观测，结果发现 CMB是2.73K黑体辐射谱；CMB是高度各向同性的max0.29 cmK 0.1 cmT宇宙微波背景辐射谱：完美的T=2.73K黑体谱 max0.29 cmK 0.1 cmT20062006年诺贝尔奖点年诺贝尔奖点19791979年诺贝尔奖点年诺贝尔奖点CMB可测量地球相对宇宙自身的运动 由地球的运动引起的宇宙背景辐射温度的涨落，称为CMB的偶极不对称性 地球相对于CMB以 368 km/s 的速度沿巨爵座（Crater）方向运动CMB 辐射的温度变化（蓝色

11、：2.724 K，红色：2.732 K.）地球运动的朝向与背向方向的温度分别变化10-3 3.353 mKT微波背景辐射的各项异性涨落(COBE)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，微波背景辐射仍表现出大小为十万分之几的温度变化 这种细微的温度变化表明宇宙演化早期（38万年）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 18 KTThe Nobel Prize in Physics 2006John C.Mather 1/2 of the prize NASA Goddard Space Flight Center Greenbelt,MD,USA b.1946Geo

12、rge F.Smoot 1/2 of the prize University of California Berkeley,CA,USA b.1945for their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation“发现了宇宙微波背景辐射的发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形式和黑体谱形式和各项异性各项异性“Boomerang(飞镖)的观测结果 COBE不能测量角尺度小于7度的CMB的涨落 1999年1月，南极，飞镖气球飞镖数据显示了大约1度尺度上CMB 更强

13、的涨落：大约万分之一的温度差异The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe(WMAP)2001.6.30 发射威尔金森背景辐射各项异性探测器 五个波段：3.2-13 mm 测量CMB在 0.2o-1o 尺度上的涨落（+-万分之二）得到了来自宇宙最古老辐射的详细天图COBE 和 WMAP的比较 宇宙年龄：137亿年，误差1%第一代恒星在大爆炸后2亿年形成 CMB 来自大爆炸后38万年 宇宙内含：4%重子,23%暗物质,73%暗能量！H0=71 km/sec/Mpc(误差5%)宇宙暴胀的新证据（偏振信号）宇宙将永远膨胀下去WMAP 结果Planck 普朗克Pla

14、nck 的宇宙学参数 H0：71 67.3 km/sec/Mpc 宇宙年龄：137 138.1 亿年5。宇宙的密度与形状 宇宙会永远膨胀下去吗？宇宙的命运如何，取决于其中所含“物质”的多少 宇宙的引力（质量）同样使其膨胀减速 如果有足够的质量，其引力大得使膨胀减速、停止，最后不可避免坍缩，直至灾难性的大挤压 如果没有足够的质量，宇宙膨胀可能减速，但不会停下来宇宙的临界密度 critical mass density 一个天体表面的逃逸速度由其质量和半径（即平均密度）决定 宇宙的膨胀速度同样由其质量和大小即平均密度决定 宇宙密度存在一个临界值 c 810-30 gcm-3 c，引力大得将停止并反

15、演宇宙膨胀 =c，引力太弱，宇宙将永远膨胀下去 引力引起的减速 两个宇宙学常数不可能等价！爱因斯坦错误地在场方程中引入宇宙学常数，并选择了不正确值。但是关于宇宙学常数的思想今天看起来还是对的，只不过“太超前了”！宇宙学常数被赋予了新的意义测量暗能量与物质密度 综合高红移超新星与宇宙微波背景辐射的观测可以估计暗能量的大小The area of overlap(green)indicates possible models for the universe that are consistent with both kinds of measurements宇宙的年龄H0=71 km/s/Mpc

16、哈勃时间1/H0=137亿年如果宇宙膨胀等速，宇宙年龄为1/H0如果宇宙膨胀减速，宇宙年龄小于1/H0如果宇宙膨胀加速，宇宙年龄大于1/H0 最年老恒星对宇宙年龄的限制 球状星团是宇宙中最老的恒星系统。宇宙的年龄 球状星团中恒星的年龄 主序星在H-R图上的转折点 球状星团的年龄。现代最好的估计为 126+/-22 亿年 银河系中最老白矮星的年龄为120-130亿年 第一代恒星（星族III)应在约1/10宇宙年龄前形成球状星团M3宇宙的形状 0 1,球面,正曲率，闭合宇宙,有限无界 0=1,零曲率,平直(开放)宇宙,无界 0 R 410-34 gcm-3 (E=mc2)目前的宇宙是物质主导的物质

17、与辐射密度的演化 宇宙膨胀导致物质与辐射密度随时间减小 同时辐射还由于宇宙膨胀发生红移 因此辐射密度比物质密度随时间减小得更快 在宇宙早期是辐射主导的 辐射主导与物质主导时期的分界约在宇宙年龄的几千年左右34MR,RR早期宇宙的物质创生 在极高温度下，高能光子的相互碰撞会产生正负粒子对 起点温度：质子 1013 K；电子 6109 K；正负粒子对湮灭会产生光子 正负粒子存在微小的不对称性（1/1010），随着宇宙的膨胀与冷却，绝大部分粒子湮灭，极少量多余的正粒子就构成了今天的物质世界 7.1 辐射主导 Planck时代:未知物理理论（量子引力论)，宇宙大小约为 0.01 cm。引力、强相互作用

18、力、弱相互作用力和电磁力统一为一种力（TOE）大统一理论时代：当t=10-43 s,T=1032 K,引力与其它力分离。强相互作用力、弱相互作用力和电磁力统一(GUT)t 0 10-43 s 1096 gcm-3 T 1032 K t 10-43 10-35 s 1096 1080 gcm-3 T 10321028 K 重子时代:强力与弱电分离。重子和轻子处于热平衡状态。t=10-10 s,T=1015 K,弱相互作用力与电磁力分离。t=10-4 s,T 1013 K，重子形成过程结束 轻子时代:轻子处于热平衡状态。当 t=102 s,T1010 yr 310-28 10-29 gcm-3 T

19、 10 3 K9。结束语1：宇宙学的末日 加速膨胀的宇宙会磨灭它起源的证据，未来的宇宙学家注定无法正确了解大爆炸的真相！加速膨胀正在破坏大爆炸的观测证据 远星系退行 远星系超出视野 临近星系并合 宇宙微波背景辐射 稀释得不可探测 轻元素（H,He）相对丰度 N代恒星污染原初元素丰度陷入黑暗仙女星系充满天空仙女星系充满天空太阳成为红巨星太阳成为红巨星地球荒芜地球荒芜陷入黑暗1千亿年后1百万亿年后结束语2：一个宇宙够吗？首次发现坚实证据证明多元宇宙存在!?结束语3：目前是研究宇宙的黄金时期！暗物质与暗能量的本质是什么？修正引力理论（MOND）PK 暗物质和暗能量？宇宙的起源、演化、与未来？暴胀理论是否正确？我们是孤独的吗？一个宇宙？多个宇宙？新实体 PK 新理论现象现象新实体新实体新理论新理论天王星轨道海王星（贝塞尔的比引力）水星轨道（祝融星被排除）广义相对论衰变中微子（违背角动量被排除）星系转动曲线暗物质？修正牛顿动力学？宇宙加速膨胀暗能量？修正广义相对论？