微波背景輻射和熱大爆炸宇宙學(xué)

1、2006年諾貝爾物理學(xué)獎微波背景輻射和熱大爆炸宇宙學(xué)Microwave background Radiation參考書： 1. 俞允強(qiáng)， 物理宇宙學(xué)講義 , 熱大爆炸宇宙學(xué) 2. J. Peacock, Cosmological Physics 3. S. Dodelson, Modern Cosmology2006年物理學(xué)諾貝爾獎兩位諾貝爾獎獲得者：1.John Mather, Senior astrophysicist at NASAs Goddard Space Flight Center2. George Smoot, Professor of Physics at Universit

2、y of California, Berkeley2006年物理學(xué)諾貝爾獎是關(guān)于： Nobel prize for Big Bang researchJ. Matehr and G.SmootJ. Mather et al., 1990, Astrophys. J (Letter) 354, 37; G. Smoot et al., 1992, Astrophys. J (Letter) 396, 1Nobel 獎提名Nobel Prize10-5KThe main contents1。大爆炸宇宙學(xué)2。早期宇宙概況3。幾個簡單公式4。光子的退耦5。光子的背景輻射6。多極各向異性和星系形成條件7

3、。宇宙中正反物質(zhì)的不對稱的形成8。暗物質(zhì)與暗能量9。粒子物理，LHC與ILC10。展望熱大爆炸宇宙學(xué)1。熱大爆炸宇宙學(xué)宇宙介質(zhì)可以看成由星系為“分子”所構(gòu)成的“氣體”，宇宙學(xué)原理認(rèn)為宇宙介質(zhì)在大尺度下是均勻的。Hubble膨脹哈伯發(fā)現(xiàn)星系對銀河中心的退行速度與距離成正比Hubble 定理1+z 是紅移，是光的Doppler 效應(yīng)， v 是天體相對我們地球觀測者的速度，Hubble 觀測到的公式僅是近似。但這個觀測的意義是否定了靜止宇宙的理論，指出宇宙在膨脹，從而導(dǎo)致了熱大爆炸理論。宇宙學(xué)H是hubble 常數(shù)牛頓認(rèn)為成團(tuán)愛因斯坦開始認(rèn)為靜止宇宙宇宙應(yīng)起源于120150億年前，能量高度密集的小區(qū)

4、域通過熱大爆炸形成今天的觀測宇宙。宇宙形成于熱大爆炸2。早期宇宙概況（1）遠(yuǎn)古的宇宙中不可能有星系（2）星系是均勻宇宙氣體碎裂的產(chǎn)物 微小擾動會發(fā)展成局域結(jié)團(tuán)（3）膨脹的宇宙來自大爆炸 （密度，溫度無限？） “Big Bang”!（4）強(qiáng)子，質(zhì)子，中子從夸克產(chǎn)生，是宇宙演化的產(chǎn)物， E200 MeV (T=1012K) t=10-4 s（5）化學(xué)元素也是演化的產(chǎn)物, E=1-10 MeV (T=1010K) 3-30 min （6）原子和分子是宇宙演化中產(chǎn)生的, E13.6 eV (T=104 K)幾個簡單公式3。幾個簡單公式愛因斯坦廣義相對論 空間,時間和物質(zhì),真空能的關(guān)系為宇宙常數(shù)RW度規(guī)

5、 幾個簡單公式 起到斥力的作用，和普通物質(zhì)的引力正好相反。在輻射為主的早期宇宙 在物質(zhì)為主的今天宇宙 Decoupling4。光子的退耦原子的復(fù)合過程 氣體中的電子在與質(zhì)子的熱碰撞中會結(jié)合成氫原子，同時放出光子，這過程是可逆的。 氫的結(jié)合能是13.6 eV, 要把氫電離，光子能量要大于它。 只要高能光子足夠多，反過程的發(fā)生率大于宇宙膨脹率，電離和復(fù)合達(dá)到統(tǒng)計平衡。Decoupling當(dāng)溫度下降后，(T=1eV), 高能光子處于Planck分布的高頻尾巴，能量超過13.6eV 的光子 只有104，但光子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多9個量級，因而一個氫核仍被105高能光子包圍，不會出現(xiàn)中性氫。但溫度出現(xiàn)在指數(shù)上，

6、溫度再下降不多，但氫核周圍的高能光子迅速減少，在T1eV下復(fù)合過程變得重要。Planck 分布Planck 分布中的高能光子數(shù)Temperature今天的背景光子溫度在復(fù)合時的紅移,那時宇宙年齡大約為2 X105年在這段時間內(nèi)變化非?？霥ecoupling of Photon等離子體氣體中光子的退耦 光子主要是和自由電子散射 每個光子在單位時間內(nèi)的碰撞次數(shù)是 在復(fù)合開始后自由電子密度的驟然下降使光子碰撞頻率下降,光子開始退耦.光子得完全退耦退耦的發(fā)生使碰撞率與宇宙膨脹率H競爭的結(jié)果 當(dāng)復(fù)合率Xp=0.1(np/(np+nH) 時/H=15,90%原子已復(fù)合,但仍有足夠的自由電子以維持光子的熱平

7、衡,退耦發(fā)生在復(fù)合之后 當(dāng)Xp=4X10-3時光子退耦,2.4X105年,從這時起光子成了無碰撞組分,它將在由中性原子組成的氣體中飛行,當(dāng)然它今天應(yīng)當(dāng)存在。黑體輻射黑體輻射 光在黑體中多次散射，成熱平衡狀態(tài)。黑體輻射的光源是 t=2.4X105年時星系為形成前中性原子氣體由于這個最后散射面是均勻且等溫，觀測到的背景輻射應(yīng)高度各向同性。由于光子從有頻繁碰撞到失去碰撞的轉(zhuǎn)化很快，從最后散射面放出的光子動量分布是Planck分布。我們看到的黑體輻射就是宇宙光子背景輻射。一個故事那么今天的Teff 大約為2.3-2.7K發(fā)現(xiàn)和證實： Princeton 大學(xué)的 Dicke 和 Peebles 認(rèn)識到背

8、景輻射對熱大爆炸宇宙學(xué)的重要，準(zhǔn)備尋找， Penzias 和 Wilson在調(diào)試頻率為4080MHz的角形天線，在沒有信號時測定了本底，擬合溫度為T()=(4.4+2.3sec)K發(fā)現(xiàn)它是無法排除的來自遠(yuǎn)處的噪聲。從而得到諾貝爾獎。但它僅是一個頻率上的，由于實驗很困難，大氣影響很難排除，不能在地球上完成新的Nobel 獎這是COBE 測量的最后結(jié)果。在星系形成后的宇宙中，不同部分有了不同溫度，宇宙介質(zhì)已沒有了統(tǒng)一的熱平衡。例如太陽的熱輻射譜合黑體輻射譜相差很大。 只有在早期，宇宙才能是整體達(dá)到高度熱平衡的系統(tǒng)。背景輻射譜與黑體輻射譜的高度一致指出它是來自早期宇宙，支持了熱大爆炸理論。星體起源C

9、OBE的另一個結(jié)果 多極各向異性（偶極各向異性主要是由于銀河系運動產(chǎn)生的紅移改變）預(yù)示宇宙介質(zhì)不能完全均勻。 早期宇宙各處溫度和密度有微小起伏，它是后來結(jié)構(gòu)形成的種子。 正是因為這種小起伏，由引力構(gòu)成今天的星體。Nobel獎的工作然而從1977年起的十年中，分析四極各向異性的強(qiáng)度，受到精度限制得到零的結(jié)果。到80年代末，這上限異縮小到如果測量精度再高一個數(shù)量級后仍然得到零結(jié)果，那么這樣過小的密度起伏獎來不及再今天形成星系，也就沒有我們了。COBE使用儀器DMR在1992年測到了微波背景溫度的四極各向異性為完全支持了熱大爆炸宇宙學(xué)理論。宇宙中元素大爆炸核合成BBN 這是一個比較復(fù)雜的核反應(yīng)鏈但大

10、爆炸理論預(yù)言中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比為1：7， 這個比例是由于中子與質(zhì)子的質(zhì)量差為1.29 MeV，轉(zhuǎn)化停止的凍結(jié)溫度為0.8 MeV。這結(jié)果意味今天He豐度為質(zhì)子的1/4。測量之為大約0.23-0.25。正反物質(zhì)不對稱性7。宇宙中正反物質(zhì)的不對稱性 觀測宇宙中只有質(zhì)子，中子和帶負(fù)電的電子，而不存在它們的反粒子。從熱大爆炸理論它們應(yīng)該存在。Sakharov 提出三個必須的條件1 存在破壞重子數(shù)（輕子數(shù))守恒的相互作用2 CP破壞3 宇宙對熱平衡的偏離（至少在演化某一階段）AMS計劃但也存在其他可能性，反物質(zhì)存在于我們廣闊宇宙的另一部分，它是和我們居住的部分完全分開的。那么就有可能一些暗物質(zhì)顆粒會脫離

11、它們的世界而飛到我們這兒來。我們的任務(wù)是找到它們。AMS 計劃Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 由丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的龐大的計劃在太空中尋找反物質(zhì)流。宇宙學(xué)的困難8。暗物質(zhì)與暗能量宇宙中可觀測的發(fā)光物質(zhì)，或重子物質(zhì)只占宇宙總能量的5以下，暗物質(zhì)（冷暗物質(zhì)）占23，70以上是所謂的暗能量。暗物質(zhì)是什么？歷史上開始認(rèn)為是中微子（熱暗物質(zhì)），現(xiàn)在認(rèn)為最可能是超對稱粒子neutralino， 或axion, axionino 等。如何在地球上的探測器上檢驗暗物質(zhì)流？宇宙學(xué)的困難 方法是讓暗物質(zhì)粒子與探測器中質(zhì)子或電子碰撞，我們測量帶電的質(zhì)子或電子的反沖軌道。測量是非常困難的。

12、1972年我國云南高山宇宙線觀測站看到的一個特別事例。宇宙學(xué)的困難暗能量更是一個非常難以理解的問題新的觀測結(jié)果指出宇宙在加速膨脹！那么必須存在相當(dāng)于斥力的作用，從前面公式可以看出，宇宙常數(shù)和真空能都可以起到斥力作用。但這有帶來新的問題，(hierarchy problem)。是否應(yīng)該有人擇原理？新的探討, quintessense, quintessensino, phantom, varying-mass neutrinos 等等哲學(xué)，物理學(xué)圖：大蛇圖宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量，非常長的時間，是超出宏觀的宇觀物理粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的能量（相對而言），非常短的時間，是微觀物理。但它們卻是緊密相關(guān)的。因而我們有可能在地球的探測器上對宇宙學(xué)進(jìn)行研究。粒子物理宇宙學(xué)LHC，ILC 和 RHICLHC， 14 TeV, 2007年開始運行，尋找Higgs， 超對稱粒子， 等新物理的信號ILC， 12 TeV， ？，精確研究新物理的性質(zhì)，探索更新的物理世界RHIC， 尋找夸克膠子等離子體，模擬早期宇宙 (Little bang)為進(jìn)