教學課件第11章宇宙學簡介

1、2013/2/2718世紀人們發(fā)現(xiàn)模糊的延展天體。和（Kant）提出“島宇宙”假設：漩渦也是象銀河系一樣的恒。1920年4月（科學院，）-爭論：仙女座是河外的還是河內(nèi)天體，是不是星系？測定 M31 的距離，開創(chuàng)河外星系天文學。河外星系的發(fā)現(xiàn)而且銀河系、本超星系團也不是，宇宙很可能沒有絕對的中心！1近代宇宙學：17世紀，隨著天文望遠鏡的發(fā)明，認識到地心說的錯誤，他發(fā)現(xiàn)了的系統(tǒng)。 三大定律的發(fā)現(xiàn)，他發(fā)現(xiàn)行星軌道是橢圓的。 的平方反比引力定律的發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)了對行星的橢圓軌道的理論解釋。19世紀，天文學家、數(shù)學家Bessel用三角視差方法測出離太陽最近的恒星的距離約為百萬百萬公里（2.5x1013km）

2、,而日地距離僅為1.5x108km! 比鄰星遠在太陽系之外。表明太陽不是宇宙中心，最終發(fā)現(xiàn)銀河系有上千億的恒星。古代宇宙學：可以說，從人們看到夜晚的星空開始，就有了宇宙學。古代宇宙學其實是人們關于整個世界的樸素的哲學思考。四千多年前比倫人已經(jīng)可以日月行星在天上的，甚至掩食。古代希臘人首先建立模型來描述天體的軌跡。古代有大量對天象的。 “天圓地方”。 （Ptolemy)的地心說。 (Copernicus,16世紀)的日心說。1， 宇宙學發(fā)展史常見的關于宇宙的哲學思考 宇宙有多大？是否有限？ 宇宙的多大？ 宇宙有無邊界？邊界外面是什么？ 可以有限嗎？ 宇宙是如何從無到有？ 宇宙命運是什么樣？是否有

3、？ 是否地外文明？ 宇宙學簡介1， 宇宙學發(fā)展歷史2 ， 宇宙學模型3 ， 現(xiàn)代宇宙學的基石4， 宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成5， 宇宙的演化2013/2/272宇宙始自高密態(tài)而演化的圖象能夠靠物理定律來進行研究，宇宙學已經(jīng)成為物理的科學。 Zeldovich宇宙學從一個被受懷疑的，不為“嚴肅” 的科學家共存的學科。發(fā)展成為物理學和天體物理學中最普及和深遠的課題。精確宇宙學 精確宇宙學： 的宇宙學已經(jīng)不再是純粹的哲學思考，而是一門嚴肅的科學。特別是宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)和對其觀測的 實施。使得 的宇宙學已經(jīng)成為一門精確的科學！ 宇宙學發(fā)展的經(jīng)歷了兩大飛躍： 1，觀測的飛躍：隨人類的科技進步（從目視到米的地

4、面望遠鏡、2米的空間望遠鏡、其它波段， 再到科學探測）人類的認識范圍已經(jīng)從地球附近擴展到整個宇宙空間。 2，理論認識的飛躍：的廣義相對論：把時間與空間有機地統(tǒng)一起來。經(jīng)受住了太陽系引力現(xiàn)象的嚴峻考驗。3, 幾何描述階段 隨著人類數(shù)動（天體）力學、相對論、光學、電磁學等學科的發(fā)展，人們已不滿足 于只在學方面描述宇宙。于是自上個世 紀初，人類的宇宙觀便進入了質(zhì)能描述階段。人們便開始從質(zhì)量、能量方面，設計我們心 中的宇宙。從科學宇宙觀的發(fā)展可以看出： 在“宇宙觀”階段，人們認為宇宙的本 質(zhì)就是，所以對宇宙的描述集中在符合 天體規(guī)律上；在的 “時空宇宙觀” 階段，我們會發(fā)現(xiàn)，的質(zhì)能只是時空作 用的外在

5、表現(xiàn)，時空才是宇宙的本質(zhì)！時空 在廣義相對論的精神下就表現(xiàn)為幾何。 2、描述階段這一階段主要的依據(jù)當然是“天體運 動”，是隨這人類的觀測能力和數(shù)學發(fā)展 而興起的，是人類真正科學宇宙觀的開始。主要是以西方的“地心說”和“日心說” 為代表。我國因為數(shù)學的滯后，這期間的 “蓋天說”、“渾天說”、“宣夜說”主 要是以單純的觀測為主。人類宇宙觀的發(fā)展史 1、哲學描述階段這是早期人們對宇宙的純感性認識，完全屬于哲學范疇的。人們只是對宇宙的神秘，加以樸素哲學和神話般的解釋。如我國的“ 開天地”、“道生一”等，西方的“造世主”、“萬能上帝”等。現(xiàn)代宇宙學：是一門有具體模型，可以計算，可以 ，并與觀測事實比較的

6、科學。它建立在廣義相對論之上，并運用了幾乎所有的現(xiàn)代物理知識。 定律的發(fā)現(xiàn)：宇宙在膨脹 1917年Friedmann用方程導出了膨脹宇宙解。 19世紀40年代，伽莫夫提出“大爆炸”宇宙學模型 19世紀60年代，Hoyle和Tayler提出原初核理論， 解釋了輕元素H , He, Li 的豐度。 1965年，Penzias, Wilson發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射， 很快被解釋為大爆炸的遺跡。（Bond, Peeble）2013/2/273靜態(tài)宇宙和斯佯謬基本觀點: 宇宙是永恒的,的問題:物質(zhì)的 引力 塌縮 不性的可能解決方案:(1) 宇宙在空間和質(zhì)量上無限大(2) 宇宙在膨脹(3) 宇宙有起點和終

7、點其中(2), (3)基本觀點,即宇宙是的. 宇宙是無限大的宇宙學原理(3)宇宙沒有中心Cosmological Principle定律： 均勻膨脹宇宙學原理Cosmological Principle(1) 宇宙物質(zhì)在大尺度上是均勻的.(2) 宇宙是各性的沒有發(fā)現(xiàn)尺度超過200Mpc 的結(jié)構(gòu)約100萬個星系在 30度天空范圍和20億光年距離范圍內(nèi)的分布觀測宇宙觀測宇宙: 觀測所及的宇宙部分宇宙學原理 (Cosmological Principle ) 宇宙物質(zhì)分布在大尺度上均勻和各性.只有基于宇宙學原理，方程才能具體化，可以建立模型并求解。宇宙微波背景輻射 宇宙學原理的支持宇宙學的研究任務

8、早期宇宙學：研究宇宙的起源問題 宇宙的物質(zhì)組成，宇宙的原初元素豐度 宇宙學模型：時空的平坦性（W0）， 宇宙膨脹的速率（0），可見宇宙的大小與（0）， 物質(zhì)密度(Wm)，重子比例（f b） 宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的起源、形成與演化 宇宙中物質(zhì)的：星系，星系團的 星系在宇宙背景下的形成與演化什么是宇宙學？宇宙學就是人們對宇宙的起源和演化、時空特性以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成演化的研究。它把宇宙作為一個整體來研究。宇宙起源與演化：宇宙是如何開始、如何演變、又將如何結(jié)局？ 時空特性與物質(zhì)結(jié)構(gòu)：空間是否彎曲或平直？ 是否時空奇點？宇宙的大小，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成與演化2013/2/274Einstein 場方程和宇宙學常數(shù)為

9、了宇宙保持靜態(tài)，提出了宇宙學常數(shù)項，他一開始認為是個錯誤；其實這是個美麗的錯誤：現(xiàn)在宇宙學常數(shù)已經(jīng)被證明是的，而且非常重要。 暗能量有關Robertson-Walker度規(guī)（metric）滿足宇宙學原理的時空度規(guī)必可化為如下形式：其中：r，q，j 為共動坐標，t 為宇宙時（cosmic time）R(t) 為宇宙尺度因子(cosmic scale factor)k = 1，0，1 分別代表閉合宇宙，平坦宇宙和開放宇宙R - 1 g R - Lg= - 8 G T: 宇宙學常數(shù)mn2 mnmnc4mn(1) Einstein 靜態(tài)宇宙模型1917年Einstein把廣義相對論的場方程應用于宇宙的

10、結(jié)構(gòu)：R- 1 gR - Lg= - 8 G Tmn2 mnmnc4mn 為宇宙學常數(shù)，Tm為宇宙介質(zhì)的能量動量張量Einstein 發(fā)現(xiàn)如果沒有宇宙學常數(shù)項，方程的不 的，表明宇宙在膨脹或收縮。但是宇宙應該是靜態(tài)， 的，所以要引入宇宙學常數(shù)，起斥力作用。2， 宇宙模型斯佯謬：(Olbers Paradox)如果宇宙是無限的, 恒星的分布是均勻的,那么任意視線方向上都有一顆恒星.夜空應該是亮的 靜態(tài)宇宙有問題2013/2/2753. 現(xiàn)代宇宙學的基石宇宙的未來（2） 如果c 0 ，表明宇宙中物質(zhì)的引力作用不足以使膨脹停止，宇宙會一直膨脹下去，稱為開宇宙。（3） 如果恰好有c 0，宇宙仍會不停膨

11、脹下去，但膨脹速度會越來越小，并以漸近方式趨于零，稱為臨界宇宙。由于關鍵在于0的測定，而這又涉及所謂暗物質(zhì)。對此我們不再展開了。關于宇宙膨脹的趨勢，取決于宇宙中物質(zhì)的平均密度0。在最簡單的宇宙模型中，理論上所謂臨界密度cc3H0 /8G1.8810 h kgm2-26 2-3（1）如果c 0, 表明宇宙的膨脹在不斷減慢 遙遠的超 看來比預期的暗，這意味著宇宙的膨脹正在 。造成 宇宙 膨脹的必定是某種超過引力的長程斥力, 這正是宇宙學常數(shù)被引進的作用. 天文學家把這種力叫做暗能量(Dark Energy) 超的觀測導致如下結(jié)論：暗能量也許占到了物質(zhì)和能量總密度的70%。2013/2/278宇宙中

12、的成分1 暗能量 70%2 物質(zhì) 30%暗物質(zhì)26% 重子物質(zhì) 4%96% 是看不見的東西宇宙中的成份 利用超和宇宙微波背景輻射觀測可以確定暗能量的大小. W = 0.70宇宙密度 觀測到的宇宙微波背景的漲落表明宇宙的位形是平直的. 所以 Wr = 0Planck （200？） COBE Cosmic Background Radiation Anisotropy Satellite更小尺度上的漲落PlanckWMAP的分辨率微波背景輻射各項異性探測器(WMAP)Wilkinson Microwave Anisotropy Probe2001年6月30日發(fā)射, 對宇宙早期輻射的全天區(qū)成像觀測宇

13、宙學參數(shù), 星系結(jié)構(gòu)如何形成, 最早期星系的形成紅移 偏振 小尺度漲落2013/2/279大尺度結(jié)構(gòu)4，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成宇宙的 WMAP 結(jié)果：137億年 銀河系最年老恒星的 銀河系最年老的白矮星的測定值是120 到130億年 最年老的球狀星團的大約也是130億年 第一代恒星在宇宙大爆炸后10億年內(nèi)就形成宇宙學基石(IV) 宇宙的測定 宇宙的取決于Hubble常數(shù)及其隨時間的變化，也取決于宇宙的物質(zhì)密度。如果H0 = 72 km/s /Mpc實際上W0 = 0 t = 1/H0 = 140億年0 W0 1 t 90 億年宇宙參數(shù)總結(jié)2013/2/2710大尺度結(jié)構(gòu)的形成 宇宙的整體均勻性和

14、各性不僅是一個基本假設， 而且是由多方面觀測支持的客觀事實。 在其演化過程中，如何形成我們所觀測到的各種尺度的復雜結(jié)構(gòu)？ 暗物質(zhì)是宇宙中的主要物質(zhì)成分，因此結(jié)構(gòu)的形成與暗物質(zhì)的性質(zhì)密切相關。暗物質(zhì)將起主要作用。 結(jié)構(gòu)的形成：星系尺度以上 宇宙演化直接相關星系尺度以下 不直接與宇宙的整體演化性質(zhì)有關2D/3覆蓋一定的天區(qū) Las Campanas Redshift Survey （LCRS）D巡天26418 星系，到z 0.26 slices of sky CfA redshift survey30000 星系 APM （Oxford University），照相底片2 10 6 星系， 10

15、7 恒星， 10 天空 2MASS 紅外天空巡天2 10 6 星系，全天空 SDSS10 8 星系, 25% 天區(qū)。1D 巡天：HDF大量星系，不同紅移原初星系protogalaxiesSome redshift surveys星系的紅移巡天與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)巡天的： 1D 巡天：對某一特定的天區(qū)進行深度露光如：HST deep field 2D 巡天：覆蓋天空中一條長帶（long strip）如CfA 紅移巡天，2dF巡天 3D 巡天：覆蓋天空中一塊區(qū)域如SDSS, LAMOST巡天都到一定的紅移或星等，即有一定的觀測極限問題和研究內(nèi)容 什么是結(jié)構(gòu)？ 如何定量描述結(jié)構(gòu)？ 結(jié)構(gòu)如何形成？ 結(jié)構(gòu)如

16、何演化？涉及到的研究參數(shù)：2013/2/2711結(jié)構(gòu)的形成星系團的形成結(jié)構(gòu)形成的數(shù)值模擬宇宙物質(zhì) m暗物質(zhì)細說暗能量 70正常物質(zhì)b = 4 baryons物質(zhì)m 30暗物質(zhì)DM = 26 dark matter 重子暗物質(zhì)(baryonic DM), 即沒有探測到的重子暗 彌漫熱氣體（Xray）物 MACHOs (Massive Compact Halo Objects) 質(zhì)白矮星，中子星，黑洞，棕矮星，等 非重子暗物質(zhì) (nonbaryonic DM) 有質(zhì)量的中微子 WIMPs (weakly interacting massive particles)暗物質(zhì)的成分暗物質(zhì)的成分：熱暗物質(zhì)

17、（HDM）：組成暗物質(zhì)的粒子質(zhì)量很小，速度很大，接近光速，如中微子。冷暗物質(zhì)（CDM）：粒子質(zhì)量很大，速度較慢。暗物質(zhì)可能同時冷暗物質(zhì)和熱暗物質(zhì)。暗物質(zhì)可能是溫暗物質(zhì)。暗物質(zhì)與星系的形成 宇宙開始包含均勻分布的暗物質(zhì)和正常物質(zhì) 大爆炸后數(shù)千年，由于某種原初擾動（產(chǎn)生于早期宇宙暴漲時期），暗物質(zhì)開始成團。 暗物質(zhì)確定了宇宙中物質(zhì)的總體分布和大尺度結(jié)構(gòu)。 正常物質(zhì)在引力的作用下向高密度的區(qū)域聚集，形成星系團和星系。 暗物質(zhì)不均勻分布產(chǎn)生的引力變化導致宇宙微波背景輻射的微小起伏。2013/2/2712宇 宙 的 演 化大爆炸 夸克重子輕核元素中性原子恒星形成重元素現(xiàn)在膠子5，宇宙的演化z6.9z3.1z1.0z02013/2/2713當前的主要結(jié)果 宇宙微波背景輻射的測量：宇宙幾乎是平坦的！ 標準宇宙學模型：帶宇宙學常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型(LCDM) W0 = WL + Wm = 1 物質(zhì)的密度為Wm = 0.3, 暗能量WL = 0.7, H0=68 km/s/Mpc 宇宙的結(jié)構(gòu)是從小到大形成的：最小的系統(tǒng)先形成（如星團）、然后是星系、星系群、星系團，更大的結(jié)構(gòu)。 重子比例為Wb= 0.04 ,宇宙中大量的暗物質(zhì)Wdm = 0.26星系外面包著一個暗物質(zhì)暈。宇宙的未來宇宙的未來宇宙的演化宇宙的演化去往何方？宇