基礎(chǔ)天文學(xué)宇宙

基礎(chǔ)天文學(xué)宇宙第一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.1大爆炸宇宙學(xué)宇宙是永恒的、穩(wěn)定的問(wèn)題：物質(zhì)→引力→宇宙坍縮可能的解決途徑：(1)宇宙在空間和質(zhì)量上是無(wú)限大的(2)宇宙在膨脹(3)宇宙有起點(diǎn)和終點(diǎn)(2)、(3)點(diǎn)違反宇宙永恒與穩(wěn)定的性質(zhì)，于是牛頓認(rèn)為宇宙應(yīng)該是無(wú)限的一：牛頓宇宙第二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五奧伯斯（Olbers）佯謬如果宇宙是無(wú)限的，且恒星的分布是均勻的→在任意視線方向都有一顆恒星→夜晚的天空應(yīng)該像白天一樣明亮

第三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五假設(shè)恒星數(shù)密度為n，則距離為

r到r+dr

球殼內(nèi)恒星數(shù)目為令每顆恒星的光度為L(zhǎng)，在地球上接收到殼層內(nèi)一顆恒星的輻射流量為宇宙中所有恒星照射到地球上的輻射應(yīng)該從0到無(wú)窮，于是總的輻射流量為積累的星光使得黑夜應(yīng)該亮如白晝！。第四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)奧伯斯佯謬的現(xiàn)代解釋由于宇宙膨脹，星系在離我們遠(yuǎn)去，發(fā)出的光子發(fā)生紅移宇宙的年齡不是無(wú)限的，遙遠(yuǎn)恒星的光子迄今尚未到達(dá)地球。我們只可能觀測(cè)到宇宙視界（天體的退行速度達(dá)到光速處）內(nèi)的天體的輻射。第五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五二.膨脹的宇宙

(1)宇宙中的物質(zhì)是均勻分布的 迄今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)尺度超過(guò)200Mpc的結(jié)構(gòu)約100萬(wàn)個(gè)星系在30度天空范圍和20億光年距離內(nèi)的分布1：宇宙學(xué)原理第六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五(2)宇宙是各向同性的→宇宙沒(méi)有中心第七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.膨脹宇宙模型

1917年Einstein將廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程應(yīng)用于宇宙的結(jié)構(gòu)，物質(zhì)引力時(shí)空彎曲 其中Λ為宇宙學(xué)常數(shù)，為宇宙介質(zhì)的能量動(dòng)量張量。在假設(shè)宇宙是無(wú)限大的、均勻的前提下，Einstein發(fā)現(xiàn)方程的解是不穩(wěn)定的，表明宇宙在膨脹或者收縮。Einstein認(rèn)為宇宙應(yīng)該是永恒的、穩(wěn)定的。為求引力場(chǎng)方程的均勻的和各向同性的解，Einstein加入一個(gè)起斥力作用“宇宙學(xué)常數(shù)”(cosmologicalconstant)Λ，得到一個(gè)靜態(tài)宇宙模型（有限無(wú)邊，沒(méi)有中心）。第八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五1922年，俄國(guó)數(shù)學(xué)家A.Friedman求得不含“宇宙常數(shù)”項(xiàng)的引力場(chǎng)方程的均勻的和各向同性的通解。在這個(gè)模型中宇宙是膨脹的，膨脹宇宙的演化取決于宇宙中的物質(zhì)自引力或密度ρ的大小。宇宙總能量

E=T+U=mV2/2–GMm/r

=mH2r2/2–(4πr3/3)Gmρ/r =mr2(H2/2–4πGρ/3)→當(dāng)ρ=ρc=3H2/(8πG)≈8×10-30gcm-3時(shí)，E=0第九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五宇宙的未來(lái)定義宇宙密度參數(shù)Ω0=ρ/ρcΩ0

>

1,束縛宇宙Ω0

<

1,開(kāi)放宇宙Ω0

=1,臨界束縛宇宙Ω0的測(cè)定在一個(gè)很大的空間內(nèi)測(cè)量星系的質(zhì)量Ω0≈0.01.如果宇宙中的物質(zhì)絕大部分由暗物質(zhì)構(gòu)成Ω0≈0.3-0.4第十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五宇宙的位形Ω0

=1,零曲率，平直宇宙Ω0

>1,正曲率，封閉宇宙Ω0

<1,負(fù)曲率，開(kāi)放宇宙第十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五3：哈勃定律與星系紅移星系的譜線紅移遵循哈勃定律

V=H0D

其中哈勃常數(shù)H0≈

65km/s/Mpc假設(shè)宇宙膨脹速度不隨時(shí)間發(fā)生變化，由此可以得到星系退行的時(shí)間，

t=D/V=1/H0≈150億年宇宙的年齡是有限的，它有一個(gè)起點(diǎn)。第十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五天文觀測(cè)：宇宙正在膨脹星系間的距離正在不斷變大將時(shí)間向回追溯,星系間距離會(huì)逐漸變小今天星系的平均間距約為星系自身大小的100倍宇宙的尺度因子R比現(xiàn)在小2個(gè)量級(jí)時(shí)星系的間距將比星系本身的尺度還要小明顯的矛盾第十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五所以：星系在那時(shí)并不存在,星系的誕生是宇宙演化的結(jié)果同樣,宇宙中的其它天體在宇宙早期也不存在,也是宇宙演化到一定階段的產(chǎn)物宇宙膨脹的同時(shí),宇宙中的物質(zhì)組分和結(jié)構(gòu)在不斷變化早期的宇宙,物質(zhì)的密度大,溫度高宇宙密度大到分子間距比分子大小還小時(shí),那時(shí)的宇宙中也不會(huì)有分子存在第十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4：大爆炸宇宙學(xué)

1940sGamov和Alpher首先提出宇宙起源于約150億年前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空間的膨脹，物質(zhì)則隨著空間膨脹（宇宙是無(wú)中心的）。隨著宇宙膨脹和溫度降低，構(gòu)成物質(zhì)的原初元素相繼形成。GeorgeGamov第十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五現(xiàn)代宇宙學(xué)的三大基石1929哈勃膨脹（星系的整體退行）微波背景輻射輕元素的合成宇宙大爆炸理論在有限的時(shí)間以前，這些天體必然會(huì)聚集在一個(gè)極小的空間宇宙是均勻各向同性的；肯定了宇宙的早期熱歷史宇宙熱歷史提供了輕元素自然產(chǎn)生和結(jié)束的環(huán)境；實(shí)驗(yàn)測(cè)定的元素豐度符合大爆炸核合成理論Eg：宇宙年齡第十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.2宇宙微波背景輻射1.發(fā)現(xiàn)Gamov,Alpher和Herman預(yù)言5-50K的宇宙大爆炸的殘余背景輻射；1964年Dicke,Peebles,Roll和Wilkinson計(jì)算得到背景輻射為溫度10K的黑體輻射。1965年P(guān)enzias和Wilson在7.35厘米波長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)宇宙背景中存在溫度為3.5K、各向同性的黑體輻射。它被證實(shí)為宇宙微波背景輻射 (CosmicMicrowaveBackground)第十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.特點(diǎn)1989年宇宙背景探測(cè)儀（COBE）對(duì)0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景輻射進(jìn)行觀測(cè)高度各向同性2.74K黑體輻射

第十八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五微波背景輻射譜1978Nobel:"fortheirdiscoveryofcosmicmicrowavebackgroundradiation"第十九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五微波背景輻射的漲落扣除微波背景輻射的偶極不對(duì)稱(chēng)和銀河系塵埃輻射的影響后，微波背景輻射表現(xiàn)出大小為十萬(wàn)分之幾的溫度變化。這種細(xì)微的溫度變化表明宇宙演化早期存在微小的不均勻性，正是這種不均勻性導(dǎo)致了星系的形成。第二十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五2006年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)兩位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者：1.JohnMather,SeniorastrophysicistatNASA’sGoddardSpaceFlightCenter2.GeorgeSmoot,ProfessorofPhysicsatUniversityofCalifornia,Berkeley2006年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)是關(guān)于：

NobelprizeforBigBangresearch第二十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五J.MatehrandG.SmootJ.Matheretal.,1990,Astrophys.J(Letter)354,37;G.Smootetal.,1992,Astrophys.J(Letter)396,1第二十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五NobelPrize10-5K第二十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.3宇宙演化與原初核合成1.物質(zhì)與輻射(1)物質(zhì)主導(dǎo)與輻射主導(dǎo)宇宙宇宙中的物質(zhì)包括可見(jiàn)物質(zhì)與暗物質(zhì)輻射主要來(lái)自微波背景輻射ρM≈(0.3-0.4)ρc=(0.3-0.4)×10-29gcm-3>ρR

≈4×10-34gcm-3→目前的宇宙是物質(zhì)主導(dǎo)的第二十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

物質(zhì)與輻射密度的演化宇宙膨脹導(dǎo)致物質(zhì)與輻射密度隨時(shí)間減小。同時(shí)輻射還由于宇宙膨脹發(fā)生紅移。因此輻射密度比物質(zhì)密度隨時(shí)間減小得更快?！谟钪嬖缙谑禽椛渲鲗?dǎo)的。輻射主導(dǎo)與物質(zhì)主導(dǎo)時(shí)期的分界約在宇宙年齡幾千年左右。第二十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五物質(zhì)的創(chuàng)生在極高溫度下，高能光子的相互碰撞會(huì)產(chǎn)生正負(fù)粒子對(duì)

起點(diǎn)溫度： 電子~6×109K

質(zhì)子~1013K正負(fù)粒子對(duì)湮滅會(huì)產(chǎn)生光子如果正負(fù)粒子對(duì)產(chǎn)生的速率與湮滅速率相等，稱(chēng)它們處于熱平衡狀態(tài)。正負(fù)粒子存在微小的不對(duì)稱(chēng)性，隨著宇宙的膨脹與冷卻，絕大部分粒子湮滅，極少量多余的正粒子構(gòu)成了今天的物質(zhì)世界。第二十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.宇宙的演化歷史

輻射相（0-103yr）(1)Planck時(shí)代未知物理理論（量子引力論）宇宙大小約為0.01cm。引力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁力統(tǒng)一為一種力。t~0-10-43sρ~∞-1092gcm-3T~∞-1032K第二十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

輻射相（0-103yr）(2)大統(tǒng)一理論時(shí)代當(dāng)t=10-43s,T=1032K,引力與其他力分離。強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁力統(tǒng)一(GUT)。

t~10-43-10-34sρ~1082-1072gcm-3T~1032-1027K第二十八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

輻射相（0-103yr）(3)重子時(shí)代重子和輕子處于熱平衡狀態(tài)t=10-10s,T=1015K,弱相互作用力與電磁力分離。t=10-4s,T<1013K,重子形成過(guò)程結(jié)束。t~10-35-10-4sρ~1072-1013gcm-3T~1027-1012K第二十九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

輻射相（0-103yr）(4)輕子時(shí)代輕子處于熱平衡狀態(tài)。當(dāng)t=102s,T<109K,正負(fù)電子對(duì)形成過(guò)程結(jié)束。t~10-4-102sρ~1013-101gcm-3T~1012-109K第三十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

輻射相（0-103yr）(5)核時(shí)代恒星演化理論可以較好地解釋宇宙中重元素的豐度。但輕元素豐度的理論與觀測(cè)值不符，特別是氦元素豐度比理論預(yù)計(jì)高25%。這部分氦元素豐度被認(rèn)為是宇宙早期的原初豐度。通常將宇宙早期比氫元素更重的元素形成過(guò)程稱(chēng)為原初核合成。t~102s-103yrρ~101–10-16gcm-3T~109–6×104K第三十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)t=102s,T=109K,宇宙中的可見(jiàn)物質(zhì)包括電子、質(zhì)子和中子，其中質(zhì)子與中子數(shù)目比為5:1。質(zhì)子與中子結(jié)合形成氘核

1H+neutron2H+E但氘核一旦形成，就被高能光子瓦解，這個(gè)階段稱(chēng)為氘瓶頸當(dāng)t=2

min,T=9×108K,氘核可以穩(wěn)定地形成，并通過(guò)核反應(yīng)迅速生成氦核。第三十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五核反應(yīng)的結(jié)果是，在幾分鐘內(nèi)，幾乎所有的中子被消耗光，宇宙中的可見(jiàn)物質(zhì)只有質(zhì)子、氦核和電子。由于宇宙的膨脹和冷卻，氦核無(wú)法通過(guò)核反應(yīng)生成更重的元素。當(dāng)t=103s,T=3×108K，宇宙元素豐度確定。 核合成開(kāi)始時(shí)質(zhì)子與中子數(shù)目比為7:1 →質(zhì)子與氦核的數(shù)目比為12:1 →氦豐度25%第三十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五恒星內(nèi)部核合成產(chǎn)生極少量的氘，因此觀測(cè)到的宇宙中的氘主要來(lái)自原初核合成。宇宙密度越高，粒子與氘的反應(yīng)越多，氘豐度越低。目前對(duì)理論與觀測(cè)的氘與氫的豐度比為10-5-10-4，要求重子物質(zhì)的密度為臨界密度的1%-1.6%?？紤]暗物質(zhì)，Ω0≈

0.3-0.4 →暗物質(zhì)不可能主要由重子物質(zhì)構(gòu)成。原初核合成的元素豐度第三十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

物質(zhì)相(6)原子時(shí)代物質(zhì)開(kāi)始在宇宙中占主導(dǎo)地位。高溫使得氫和氦處于電離狀態(tài)，大量的自由電子導(dǎo)致光子的自由程極短。當(dāng)溫度降至約幾千

K，電子與原子核結(jié)合形成原子當(dāng)T

≈4500

K，宇宙主要由原子、光子和暗物質(zhì)構(gòu)成。

t~103-106yrρ~10-16–10-21gcm-3T~6×104–103K第三十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五自由電子與原子核結(jié)合形成原子（復(fù)合）使得光子可以自由地運(yùn)動(dòng)（僅有特定波長(zhǎng)的光子被吸收），稱(chēng)為輻射與物質(zhì)（重子）退耦，宇宙變得透明。今天觀測(cè)到的微波背景輻射就是輻射與物質(zhì)脫耦最后時(shí)期的宇宙輻射。第三十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

物質(zhì)相(7)星系時(shí)代星系與大尺度結(jié)構(gòu)形成，宇宙在宏觀上開(kāi)始表現(xiàn)不均勻性。類(lèi)星體和第一代恒星開(kāi)始出現(xiàn)。t~106-109yrρ~10-21–3×10-28gcm-3T~103–10K第三十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

物質(zhì)相(8)恒星時(shí)代恒星持續(xù)形成。行星和生命開(kāi)始出現(xiàn)。t~109->1010yrρ~3×10-28–10-29gcm-3T~10–3K第三十八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三十九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五宇宙演化史第四十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.5宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成1.物質(zhì)不均勻性的形成條件在脫耦前，輻射和正常（重子）物質(zhì)是凍結(jié)在一起的。(1)強(qiáng)烈的輻射阻礙物質(zhì)的引力收縮。(2)如果星系起源于宇宙早期正常物質(zhì)的密度漲落，這種漲落也應(yīng)該造成微波背景輻射的漲落。正常物質(zhì)的密度擾動(dòng)必須在復(fù)合時(shí)代才能開(kāi)始增長(zhǎng)。由微波背景輻射允許的密度不均勻根本不足以在已有的時(shí)間內(nèi)形成星系和星系團(tuán)。第四十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.

暗物質(zhì)暗物質(zhì)是宇宙的主要成分，暗物質(zhì)的密度漲落應(yīng)該在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成中其主要作用。暗物質(zhì)只有弱作用和引力作用。由于暗物質(zhì)與輻射場(chǎng)之間沒(méi)有耦合，因此暗物質(zhì)的凝聚可以在輻射與正常物質(zhì)脫耦前發(fā)生，暗物質(zhì)的密度漲落也不會(huì)影響微波背景輻射的各向同性。第四十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)與星系形成 宇宙開(kāi)始包含均勻分布的暗物質(zhì)和正常物質(zhì)。 大爆炸后數(shù)千年暗物質(zhì)開(kāi)始成團(tuán)。 暗物質(zhì)確定宇宙中物質(zhì)的總體分布和大尺度結(jié)構(gòu)。 正常物質(zhì)在引力作用下向高密度區(qū)域聚集，形成星系和星系團(tuán)。第四十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五100Mpc1.5Mpc暗物質(zhì)暈宇宙結(jié)構(gòu)的形成的數(shù)值模擬（20%HDM,80%CDM,Ω0=1）暗藍(lán)（平均密度）→綠→黃→紅→白（100平均密度）第四十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)暈（DarkHalo）宇宙的基本構(gòu)成單元：星系第四十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.5：幾個(gè)前沿問(wèn)題4.5.1暗物質(zhì)4.5.2暗能量4.5.3暴漲宇宙第四十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.5.1暗物質(zhì)第四十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五原初核合成和CMB給出重子物質(zhì)密度0.6<h<0.8WBh2

0.023,WB

0.04第四十八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五結(jié)構(gòu)形成理論種子：密度的量子漲落WM

>0.2,WB

0.04在物質(zhì)主導(dǎo)的時(shí)期，小的密度漲落被放大；若物質(zhì)只為重子物質(zhì)則速度太慢，至今還沒(méi)有形成星系等結(jié)構(gòu)形成理論要求非重子物質(zhì)1978:"fortheirdiscoveryofcosmicmicrowavebackgroundradiation"2006:"fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation"第四十九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五宇宙學(xué)尺度上的暗物質(zhì)mh2=0.135+-0.009m=0.27+-0.04WMAPCombinedfit:第五十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五星系質(zhì)量的測(cè)定質(zhì)光關(guān)系：據(jù)光度定質(zhì)量主序星質(zhì)光關(guān)系：

LMa,3a4可見(jiàn)物質(zhì)的平均密度：

B～10-31g/cm3光度方法第五十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五動(dòng)力學(xué)方法VeraRubin：observestars第五十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五星系質(zhì)量的測(cè)定ObservegalaxyrotationcurveusingDopplershiftsin21cmlinefromhyperfinesplittingObservestars第五十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五用動(dòng)力學(xué)方法測(cè)出的質(zhì)量往往比用光度方法測(cè)出的質(zhì)量大得多，有量級(jí)之差。測(cè)量范圍越大，差別越大存在暗物質(zhì)（可大1個(gè)量級(jí)）:

有引力，卻不發(fā)光結(jié)論第五十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五星系團(tuán)質(zhì)量的測(cè)定VirialtheoremU=2K

K=mivi2

U~GM2/RComacluster在1933年Zwicky估計(jì)一星系團(tuán)Coma星團(tuán)總物質(zhì)量在星系運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上接近星團(tuán)的邊緣。當(dāng)他將這個(gè)質(zhì)量與一個(gè)以星系數(shù)目和星團(tuán)總亮度來(lái)比較，他發(fā)現(xiàn)存在比預(yù)計(jì)多400倍的質(zhì)量。

第五十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五X(qián)-ray

星系團(tuán)的質(zhì)量hydrostaticequilibriumbetamodel:However,X-rayemissionmeasuresthetemperatureandM/Mvisible=20第五十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五強(qiáng)引力透鏡第五十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五弱引力透鏡RXJ1347.5-1145(Bradacetal2005)Imageellipticity->shear->inverttheequation第五十八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五NASA/ChandraPressRelease,August21,2006

子彈星系團(tuán)：兩個(gè)相撞的星系團(tuán)DMv.s.MOND第五十九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)存在!宇宙物質(zhì)的80%以上為非重子物質(zhì)各個(gè)尺度的天體系統(tǒng)中暗示有“不發(fā)光”的物質(zhì)，暗物質(zhì)主導(dǎo)了結(jié)構(gòu)形成由這類(lèi)物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)可測(cè)其總量或空間分布概況不發(fā)光的物質(zhì)，非重子物質(zhì)是什么？I：暗的天體II：奇特的非重子物質(zhì)第六十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五I：MACHOSMAssiveCompactHaloObjects”orMACHOs低質(zhì)量M矮星,褐矮星,大行星等探測(cè)途徑：恒星的引力透鏡效應(yīng)銀河系中已經(jīng)探測(cè)到的MACHOs數(shù)目并不能提供足夠的暗物質(zhì)第六十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五II：暗物質(zhì)---粒子？粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型費(fèi)米子（組成物質(zhì)的基本粒子）玻色子（攜帶相互作用的粒子）重子物質(zhì)（常規(guī)物質(zhì)）第六十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五第六十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五中微子暗物質(zhì)?假定宇宙熱歷史殘留下來(lái)的中微子帶有質(zhì)量（滿足其他的限定）

但是中微子速度近光速，為相對(duì)論性粒子

中性的，只參與弱力和引力第六十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五抹平小尺度擾動(dòng)

Neutrinosmovefastandtendtowipeoutthedensitycontrast.熱暗物質(zhì)：太慢形成引力束縛態(tài)系統(tǒng)中微子第六十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五冷暗物質(zhì)WIMPDarkMatter：MassiveWeaklyInteractingParticleBeyondStandModel穩(wěn)定的，電中性的大質(zhì)量，弱相互作用第六十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五超對(duì)稱(chēng)模型第六十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五超對(duì)稱(chēng)模型的預(yù)言第六十八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五加速器實(shí)驗(yàn)—尋找SuperPartnerFermiLab：TevaTronCERN：LHC第六十九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五DarkMatterZooSupersymmetry:(LSP)LightestKKtechni-baryonsgravitino,axino,invisibleaxionWIMPZILLAS………………….基本特點(diǎn)：宇宙學(xué)時(shí)間尺度上穩(wěn)定。參與引力作用，無(wú)電磁相互作用非重子物質(zhì)非相對(duì)論性運(yùn)動(dòng)第七十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五宇宙中WIMP熱遺跡AtT>>m,AtT<m,AtT~m/22,，退偶WIMPisanaturaldarkmattercandidategivingcorrectrelicdensity(proposedtryingtosolvehierarchyproblem).Thermalequilibriumabundance熱遺跡密度：第七十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)探測(cè)手段衛(wèi)星空間探測(cè)地下直接探測(cè)地面探測(cè)高空氣球探測(cè)對(duì)撞機(jī)探測(cè)第七十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五直接探測(cè)與間接探測(cè)第七十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)地下探測(cè)第七十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)的直接探測(cè)原理圖第七十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五四川錦屏山隧道四川省錦屏山地形示意圖

CMDS-IIDAMA,Xenon第七十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)間接探測(cè)第七十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五恒星尺度太陽(yáng)系第一代恒星鄰近的中子星星系尺度鄰近矮橢球星系：WilliamI鄰近不規(guī)則矮星系：LMC銀河系：銀心；銀暈星系團(tuán)尺度宇宙背景光從輻射強(qiáng)度比較到關(guān)聯(lián)函數(shù)譜的比較鄰近的coma等探測(cè)對(duì)象第七十八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)的間接探測(cè)：信號(hào)？探測(cè)相應(yīng)的末態(tài)粒子末態(tài)粒子在傳播過(guò)程中誘發(fā)的電磁信號(hào)第七十九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)高能中微子：AMAND,IceCube；高能光子：MAGIC,HESS,VERITAS;MILAGRO；

AGRO；

EGRET；FERMI；高能帶電粒子：HEAT,AMS；

PAMELA,ATIC，F(xiàn)ERMI；

第八十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五間接探測(cè)暗物質(zhì)

關(guān)鍵在于如何區(qū)分眾多的天體信號(hào)找傳統(tǒng)天體過(guò)程不活躍的系統(tǒng)

鄰近的小尺度星系找暗物質(zhì)密度高，湮滅信號(hào)強(qiáng)的地方

暗物質(zhì)暈中心：如最近的銀河系中心第八十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五空間間接探測(cè)帶電粒子PAMELA（2008）正電子超出反質(zhì)子無(wú)超出第八十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五正負(fù)電子總流強(qiáng)ATIC（紫金山天文臺(tái)常進(jìn)）FermiLAT正負(fù)電子超出，有結(jié)構(gòu)正負(fù)電子超出，無(wú)明顯結(jié)構(gòu)第八十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五HESS正負(fù)電子超出，無(wú)明顯結(jié)構(gòu)紫金山天文臺(tái)常進(jìn)主持的暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目預(yù)計(jì)2014年第八十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五e(cuò)^+-:SZeffectICSemissionSynchrotronemissionHowtomodelthetransportprocess正負(fù)電子Multi-wavelength?Colafrancesco,IoP/RASMeeting2007第八十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五X(qián)-rayradioγ-ray復(fù)雜熱鬧的銀河系中心radio第八十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五Fermi-LAT光子第八十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五我們的研究：低頻窗口（射電波段）？第八十八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五我們研究的對(duì)象：

鄰近的小尺度星系HighlatitudeHighestmass/light第八十九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五GMRT@Indian

30dishesof45mdiametereach(14incenter&16outerY)150MHz,68’,1.5mJy235MHz,44’,0.6mJy325MHz,32’,0.3mJy610MHz,17’,0.02mJy1420MHz,7’,0.03mJy第九十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)研究小結(jié)滿足宇宙學(xué)和理論粒子物理要求的暗物質(zhì)模型的粒子屬性仍然是個(gè)謎。多種探測(cè)手段的綜合是趨勢(shì)現(xiàn)代宇宙學(xué)的基本組分中80%以上的質(zhì)量為非重子物質(zhì)，主導(dǎo)宇宙層級(jí)結(jié)構(gòu)的形成不同尺度的天體系統(tǒng)（從星系到星系團(tuán)）都是由暗物質(zhì)主導(dǎo)的，暗物質(zhì)主要顯現(xiàn)其引力效應(yīng)第九十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.5.2暗能量第九十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五2011年度諾貝爾物理獎(jiǎng)SaulPerlmutterAdamRiessBrianSchmidt他們研究了幾十個(gè)稱(chēng)為‘超新星’的爆炸星球，并發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹（1998年）第九十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五膨脹1929哈勃定律（星系的整體退行）哈勃常數(shù)H0是河外星系推行速度同距離的比值，可以表示宇宙膨脹率。值為73.8公里/秒·百萬(wàn)秒差距，這意味著一個(gè)星系距離地球每增加百萬(wàn)秒差距（3.26百萬(wàn)光年），它離我們而去的速度每秒就增加73.8公里。

河外星系的視向速度與距離的關(guān)系第九十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五標(biāo)準(zhǔn)燭光“量天尺”造父變星約幾千萬(wàn)光年內(nèi)星體的距離更亮的“燭光”更大尺度上的距離測(cè)量“Ia型超新星”第九十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五Ia型超新星白矮星會(huì)通過(guò)引力，從它的伴星身上竊取氣體

當(dāng)白矮星超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，它就會(huì)爆炸，變成一顆Ia型超新星。

第九十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五Ia超新星即爆炸中的恒星，它發(fā)出的亮度是幾十億顆恒星亮度的總和。第九十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五如何尋找Ia型超新星1980年代丹麥天文學(xué)家兩年的時(shí)間內(nèi)只找到2顆第九十八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)的兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的超新星研究小組對(duì)一批高紅移的Ia型超新星做了仔細(xì)的測(cè)量。一個(gè)是SaulPerlmutter

領(lǐng)導(dǎo)的“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”組（1988年）；另一個(gè)是BrianSchmidt領(lǐng)導(dǎo)（AdamRiess

）的“高紅移超新星搜尋組”（1994年）照相----圖像---視亮度---距離光譜---譜線---紅移---退行速度第九十九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五加速膨脹！發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)處的超新星偏離預(yù)期越暗，顯示越遠(yuǎn)第一百頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五十三年來(lái)，科學(xué)家又觀測(cè)了許多Ia型超新星，總數(shù)達(dá)幾百顆，對(duì)其分析也更加深入，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示宇宙目前的約四十億年正在加速膨脹(a)宇宙的膨脹速度正隨時(shí)間減慢，(b)宇宙正加速膨脹，即以往宇宙膨脹的速度小於現(xiàn)在宇宙膨脹的速度。

為什么？第一百零一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五mM斥力組分v.s引力組分第一百零二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗能量的提出：負(fù)壓強(qiáng)。（注意：輻射w=1/3,物質(zhì)w=0)宇宙學(xué)常數(shù)對(duì)應(yīng)的w=-1斥力組分:暗能量第一百零三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五斥力組分v.s引力組分第一百零四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

暗能量理論模型簡(jiǎn)介

1）宇宙學(xué)常數(shù)（真空能）2）動(dòng)力學(xué)場(chǎng)：精質(zhì)（Quintessence，Phantom,Quintom……）→不同模型預(yù)言的w演化行為不一樣

暗能量是宇宙學(xué)常數(shù)？還是動(dòng)力學(xué)的？認(rèn)識(shí)暗能量首要任務(wù)：基于天文觀測(cè)數(shù)據(jù)、開(kāi)展整體分析、確定暗能量狀態(tài)方程宇宙學(xué)常數(shù)問(wèn)題！第一百零五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗能量研究小結(jié)暗能量的理論模型很多（宇宙學(xué)常數(shù)；動(dòng)力學(xué)場(chǎng)），需要更精確的觀測(cè)認(rèn)證。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙的加速膨脹要求有暗能量的存在。暗能量貢獻(xiàn)的是負(fù)壓?，F(xiàn)階段研究暗能量的關(guān)鍵在于確定其狀態(tài)方程W（z）？---我國(guó)的天籟項(xiàng)目第一百零六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五宇宙組分分配

Ostriker&Steinhardt,2003,Science,300,1909暗能量：73%；暗物質(zhì)：23%；發(fā)光物質(zhì)：0.4%（恒星和發(fā)光氣體0.4%；輻射0.005%）；不可見(jiàn)的普通物質(zhì)：3.7%（星系際氣體3.6%；中微子0.1%；超重黑洞0.04%）第一百零七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五BeforeWMAPWMAPHighprecision

精確宇宙學(xué)的誕生第一百零八頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五21世紀(jì)物理學(xué)v.s19世紀(jì)物理學(xué)物理學(xué)正是一片晴空，但也還有兩朵烏云：“以太”與“黑體譜”——導(dǎo)致了世紀(jì)性的革命

——相對(duì)論與量子力學(xué)?，F(xiàn)在也有兩朵烏云（三朵？四朵？）：“暗能量”與“暗物質(zhì)”——會(huì)導(dǎo)致什么？109第一百零九頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五分類(lèi)獲獎(jiǎng)人項(xiàng)目恒星H.Bethe恒星能源(1967)S.Chandrasekhar恒星結(jié)構(gòu)與演化(1983)W.A.Fowler元素恒星起源(1983)脈沖星A.Hewish脈沖星(1974)R.Hulse，J.Taylor雙星脈沖星(1993)宇宙學(xué)A.A.PenziasR.W.Wilson微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)(1978)J.C.MatherG.F.Smoot微波背景輻射黑體譜與各向異性(2006)S.PerlmutterB.Schmidt,A.Riess宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)(2011)新窗口H.Alfvén磁流體力學(xué)(1970)M.Ryle綜合孔徑(1974)R.DavisJr.M.Koshiba宇宙中微子(2002)R.GiacconiX射線天文(2002)第一百一十頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

所謂暗物質(zhì)、暗能量就是非常稀奇的事物，這里面 我想是可能引出基本物理學(xué)中革命性的發(fā)展來(lái)的……

假如一個(gè)年輕人，他覺(jué)得自己一生的目的就是要做革 命性的發(fā)展的話，他應(yīng)該去學(xué)習(xí)天文物理學(xué)。

——

楊振寧

現(xiàn)在對(duì)科學(xué)的最大的挑戰(zhàn)，已不僅是那些已知的物質(zhì)。因?yàn)樵谖覀冎赖奈镔|(zhì)之外，還有暗物質(zhì)、暗能量。所以我們要立足新的基礎(chǔ)科學(xué)前沿，一定要將小的與大的聯(lián)系起來(lái)，這個(gè)方法可稱(chēng)為“整體統(tǒng)一”。我認(rèn)為，“整體統(tǒng)一”的科學(xué)方法，應(yīng)該是21世紀(jì)最重要的科學(xué)方法。

——

李政道第一百一十一頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.5.3暴脹宇宙第一百一十二頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.視界與平直問(wèn)題視界問(wèn)題微波背景輻射是高度各向同性的，→整個(gè)宇宙應(yīng)該具有相同的溫度。但宇宙的不同區(qū)域處于各自的視界之外，如何進(jìn)行信息交換？如大統(tǒng)一時(shí)代的視界為3×10-26cm，遠(yuǎn)小于宇宙尺度3cm。

光子在目前宇宙視界上相對(duì)兩點(diǎn)間的運(yùn)行時(shí)間超過(guò)宇宙年齡第一百一十三頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

平直問(wèn)題目前宇宙密度參數(shù)Ω0的值接近于1，說(shuō)明宇宙是平直的。→在宇宙早期，Ω0應(yīng)該極其接近于1為什么宇宙是平直的？第一百一十四頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.暴脹宇宙物質(zhì)相互作用的四種力 強(qiáng)度 作用 范圍(m)強(qiáng)相互作用力1 束縛核子 10-15電磁力 1/137 束縛原子 ∞弱相互作用力10-5 引起放射性10-17重力 6×10-39

束縛宏觀物體∞第一百一十五頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五大統(tǒng)一理論(GUT)認(rèn)為在極高的溫度下，強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁相互作用力是統(tǒng)一的。當(dāng)t=10-35s,T

降至1028K以下，強(qiáng)相互作用力與其他力分離。 在t=10-35-10-32s階段，宇宙經(jīng)歷暴脹，尺度增大~1050倍。暴脹結(jié)束后，宇宙膨脹恢復(fù)到原來(lái)的速度。第一百一十六頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)視界和平直問(wèn)題的解釋

即使宇宙早期位形是高度彎曲的，經(jīng)過(guò)暴脹會(huì)變?yōu)槠街?。宇宙起源于一個(gè)極小的區(qū)域（比經(jīng)典大爆炸模型?。诒┟浨坝钪娴拇笮∵h(yuǎn)小于視界大小，因而具有相同的溫度，暴脹后的宇宙依然具有相同的溫度。第一百一十七頁(yè)，共一百二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五TopQuark,HiggsPhysics和宇宙學(xué)（ElectroweakBaryogenesis)Whynoanti-matter-------Baryo/Leptogenesis三個(gè)條件：1）B破壞（Sphaleron)2）CandCP破壞(