基礎(chǔ)天文學(xué)宇宙

基礎(chǔ)天文學(xué)宇宙第1頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1大爆炸宇宙學(xué)宇宙是永恒的、穩(wěn)定的問題：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)量上是無限大的(2)宇宙在膨脹(3)宇宙有起點和終點(2)、(3)點違反宇宙永恒與穩(wěn)定的性質(zhì)，于是牛頓認為宇宙應(yīng)該是無限的一：牛頓宇宙第2頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月奧伯斯（Olbers）佯謬如果宇宙是無限的，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3頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月假設(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，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4頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月對奧伯斯佯謬的現(xiàn)代解釋由于宇宙膨脹，星系在離我們遠去，發(fā)出的光子發(fā)生紅移宇宙的年齡不是無限的，遙遠恒星的光子迄今尚未到達地球。我們只可能觀測到宇宙視界（天體的退行速度達到光速處）內(nèi)的天體的輻射。第5頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月二.膨脹的宇宙

(1)宇宙中的物質(zhì)是均勻分布的 迄今沒有發(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20億光年距離內(nèi)的分布1：宇宙學(xué)原理第6頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)宇宙是各向同性的→宇宙沒有中心第7頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月2.膨脹宇宙模型

1917年Einstein將廣義相對論引力場方程應(yīng)用于宇宙的結(jié)構(gòu)，物質(zhì)引力時空彎曲 其中Λ為宇宙學(xué)常數(shù)，為宇宙介質(zhì)的能量動量張量。在假設(shè)宇宙是無限大的、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認為宇宙應(yīng)該是永恒的、穩(wěn)定的。為求引力場方程的均勻的和各向同性的解，Einstein加入一個起斥力作用“宇宙學(xué)常數(shù)”(cosmologicalconstant)Λ，得到一個靜態(tài)宇宙模型（有限無邊，沒有中心）。第8頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月1922年，俄國數(shù)學(xué)家A.Friedman求得不含“宇宙常數(shù)”項的引力場方程的均勻的和各向同性的通解。在這個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ρ=ρc=3H2/(8πG)≈8×10-30gcm-3時，E=0第9頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙的未來定義宇宙密度參數(shù)Ω0=ρ/ρcΩ0

>

1,束縛宇宙Ω0

<

1,開放宇宙Ω0

=1,臨界束縛宇宙Ω0的測定在一個很大的空間內(nèi)測量星系的質(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10頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙的位形Ω0

=1,零曲率，平直宇宙Ω0

>1,正曲率，封閉宇宙Ω0

<1,負曲率，開放宇宙第11頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月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間發(fā)生變化，由此可以得到星系退行的時間，

t=D/V=1/H0≈150億年宇宙的年齡是有限的，它有一個起點。第12頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月天文觀測：宇宙正在膨脹星系間的距離正在不斷變大將時間向回追溯,星系間距離會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個量級時星系的間距將比星系本身的尺度還要小明顯的矛盾第13頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月所以：星系在那時并不存在,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,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,那時的宇宙中也不會有分子存在第14頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月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15頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月現(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間以前，這些天體必然會聚集在一個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；實驗測定的元素豐度符合大爆炸核合成理論Eg：宇宙年齡第16頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月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。它被證實為宇宙微波背景輻射 (CosmicMicrowaveBackground)第17頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月2.特點1989年宇宙背景探測儀（COBE）對0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景輻射進行觀測高度各向同性2.74K黑體輻射

第18頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月微波背景輻射譜1978Nobel:"fortheirdiscoveryofcosmicmicrowavebackgroundradiation"第19頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月微波背景輻射的漲落扣除微波背景輻射的偶極不對稱和銀河系塵埃輻射的影響后，微波背景輻射表現(xiàn)出大小為十萬分之幾的溫度變化。這種細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20頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年物理學(xué)諾貝爾獎兩位諾貝爾獎獲得者：1.JohnMather,SeniorastrophysicistatNASA’sGoddardSpaceFlightCenter2.GeorgeSmoot,ProfessorofPhysicsatUniversityofCalifornia,Berkeley2006年物理學(xué)諾貝爾獎是關(guān)于：

NobelprizeforBigBangresearch第21頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月J.MatehrandG.SmootJ.Matheretal.,1990,Astrophys.J(Letter)354,37;G.Smootetal.,1992,Astrophys.J(Letter)396,1第22頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月NobelPrize10-5K第23頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月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)包括可見物質(zhì)與暗物質(zhì)輻射主要來自微波背景輻射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24頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

物質(zhì)與輻射密度的演化宇宙膨脹導(dǎo)致物質(zhì)與輻射密度隨時間減小。同時輻射還由于宇宙膨脹發(fā)生紅移。因此輻射密度比物質(zhì)密度隨時間減小得更快。→在宇宙早期是輻射主導(dǎo)的。輻射主導(dǎo)與物質(zhì)主導(dǎo)時期的分界約在宇宙年齡幾千年左右。第25頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的創(chuàng)生在極高溫度下，高能光子的相互碰撞會產(chǎn)生正負粒子對

起點溫度： 電子~6×109K

質(zhì)子~1013K正負粒子對湮滅會產(chǎn)生光子如果正負粒子對產(chǎn)生的速率與湮滅速率相等，稱它們處于熱平衡狀態(tài)。正負粒子存在微小的不對稱性，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26頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月2.宇宙的演化歷史

輻射相（0-103yr）(1)Planck時代未知物理理論（量子引力論）宇宙大小約為0.01cm。引力、強相互作用力、弱相互作用力、電磁力統(tǒng)一為一種力。t~0-10-43sρ~∞-1092gcm-3T~∞-1032K第27頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

t~10-43-10-34sρ~1082-1072gcm-3T~1032-1027K第28頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

輻射相（0-103yr）(3)重子時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,重子形成過程結(jié)束。t~10-35-10-4sρ~1072-1013gcm-3T~1027-1012K第29頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

輻射相（0-103yr）(4)輕子時代輕子處于熱平衡狀態(tài)。當t=102s,T<109K,正負電子對形成過程結(jié)束。t~10-4-102sρ~1013-101gcm-3T~1012-109K第30頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

輻射相（0-103yr）(5)核時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值不符，特別是氦元素豐度比理論預(yù)計高25%。這部分氦元素豐度被認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程稱為原初核合成。t~102s-103yrρ~101–10-16gcm-3T~109–6×104K第31頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月當t=102s,T=109K,宇宙中的可見物質(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，這個階段稱為氘瓶頸當t=2

min,T=9×108K,氘核可以穩(wěn)定地形成，并通過核反應(yīng)迅速生成氦核。第32頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月核反應(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，氦核無法通過核反應(yīng)生成更重的元素。當t=103s,T=3×108K，宇宙元素豐度確定。 核合成開始時質(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33頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月恒星內(nèi)部核合成產(chǎn)生極少量的氘，因此觀測到的宇宙中的氘主要來自原初核合成。宇宙密度越高，粒子與氘的反應(yīng)越多，氘豐度越低。目前對理論與觀測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34頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

物質(zhì)相(6)原子時代物質(zhì)開始在宇宙中占主導(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。當溫度降至約幾千

K，電子與原子核結(jié)合形成原子當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35頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月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動（僅有特定波長的光子被吸收），稱為輻射與物質(zhì)（重子）退耦，宇宙變得透明。今天觀測到的微波背景輻射就是輻射與物質(zhì)脫耦最后時期的宇宙輻射。第36頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

物質(zhì)相(7)星系時代星系與大尺度結(jié)構(gòu)形成，宇宙在宏觀上開始表現(xiàn)不均勻性。類星體和第一代恒星開始出現(xiàn)。t~106-109yrρ~10-21–3×10-28gcm-3T~103–10K第37頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

物質(zhì)相(8)恒星時代恒星持續(xù)形成。行星和生命開始出現(xiàn)。t~109->1010yrρ~3×10-28–10-29gcm-3T~10–3K第38頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙演化史第40頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月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)的密度擾動必須在復(fù)合時代才能開始增長。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間內(nèi)形成星系和星系團。第41頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月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)與輻射場之間沒有耦合，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)的密度漲落也不會影響微波背景輻射的各向同性。第42頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質(zhì)與星系形成 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)千年暗物質(zhì)開始成團。 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。第43頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月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（平均密度）→綠→黃→紅→白（100平均密度）第44頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質(zhì)暈（DarkHalo）宇宙的基本構(gòu)成單元：星系第45頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5：幾個前沿問題4.5.1暗物質(zhì)4.5.2暗能量4.5.3暴漲宇宙第46頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.1暗物質(zhì)第47頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月原初核合成和CMB給出重子物質(zhì)密度0.6<h<0.8WBh2

0.023,WB

0.04第48頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月結(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49頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙學(xué)尺度上的暗物質(zhì)mh2=0.135+-0.009m=0.27+-0.04WMAPCombinedfit:第50頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月星系質(zhì)量的測定質(zhì)光關(guān)系：據(jù)光度定質(zhì)量主序星質(zhì)光關(guān)系：

LMa,3a4可見物質(zhì)的平均密度：

B～10-31g/cm3光度方法第51頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月動力學(xué)方法VeraRubin：observestars第52頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月星系質(zhì)量的測定ObservegalaxyrotationcurveusingDopplershiftsin21cmlinefromhyperfinesplittingObservestars第53頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月用動力學(xué)方法測出的質(zhì)量往往比用光度方法測出的質(zhì)量大得多，有量級之差。測量范圍越大，差別越大存在暗物質(zhì)（可大1個量級）:

有引力，卻不發(fā)光結(jié)論第54頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月星系團質(zhì)量的測定VirialtheoremU=2K

K=mivi2

U~GM2/RComacluster在1933年Zwicky估計一星系團Coma星團總物質(zhì)量在星系運動的基礎(chǔ)上接近星團的邊緣。當他將這個質(zhì)量與一個以星系數(shù)目和星團總亮度來比較，他發(fā)現(xiàn)存在比預(yù)計多400倍的質(zhì)量。

第55頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月X-ray

星系團的質(zhì)量hydrostaticequilibriumbetamodel:However,X-rayemissionmeasuresthetemperatureandM/Mvisible=20第56頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月強引力透鏡第57頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月弱引力透鏡RXJ1347.5-1145(Bradacetal2005)Imageellipticity->shear->inverttheequation第58頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月NASA/ChandraPressRelease,August21,2006

子彈星系團：兩個相撞的星系團DMv.s.MOND第59頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質(zhì)存在!宇宙物質(zhì)的80%以上為非重子物質(zhì)各個尺度的天體系統(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)形成由這類物質(zhì)的動力學(xué)效應(yīng)可測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60頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月I：MACHOSMAssiveCompactHaloObjects”orMACHOs低質(zhì)量M矮星,褐矮星,大行星等探測途徑：恒星的引力透鏡效應(yīng)銀河系中已經(jīng)探測到的MACHOs數(shù)目并不能提供足夠的暗物質(zhì)第61頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月II：暗物質(zhì)---粒子？粒子物理標準模型費米子（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62頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月第63頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月中微子暗物質(zhì)?假定宇宙熱歷史殘留下來的中微子帶有質(zhì)量（滿足其他的限定）

但是中微子速度近光速，為相對論性粒子

中性的，只參與弱力和引力第64頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月抹平小尺度擾動

Neutrinosmovefastandtendtowipeoutthedensitycontrast.熱暗物質(zhì)：太慢形成引力束縛態(tài)系統(tǒng)中微子第65頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月冷暗物質(zhì)WIMPDarkMatter：MassiveWeaklyInteractingParticleBeyondStandModel穩(wěn)定的，電中性的大質(zhì)量，弱相互作用第66頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月超對稱模型第67頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月超對稱模型的預(yù)言第68頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月加速器實驗—尋找SuperPartnerFermiLab：TevaTronCERN：LHC第69頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月DarkMatterZooSupersymmetry:(LSP)LightestKKtechni-baryonsgravitino,axino,invisibleaxionWIMPZILLAS………………….基本特點：宇宙學(xué)時間尺度上穩(wěn)定。參與引力作用，無電磁相互作用非重子物質(zhì)非相對論性運動第70頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙中WIMP熱遺跡AtT>>m,AtT<m,AtT~m/22,，退偶WIMPisanaturaldarkmattercandidategivingcorrectrelicdensity(proposedtryingtosolvehierarchyproblem).Thermalequilibriumabundance熱遺跡密度：第71頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質(zhì)實驗探測手段衛(wèi)星空間探測地下直接探測地面探測高空氣球探測對撞機探測第72頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月直接探測與間接探測第73頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質(zhì)地下探測第74頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質(zhì)的直接探測原理圖第75頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月四川錦屏山隧道四川省錦屏山地形示意圖

CMDS-IIDAMA,Xenon第76頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質(zhì)間接探測第77頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月恒星尺度太陽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；銀暈星系團尺度宇宙背景光從輻射強度比較到關(guān)聯(lián)函數(shù)譜的比較鄰近的coma等探測對象第78頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質(zhì)的間接探測：信號？探測相應(yīng)的末態(tài)粒子末態(tài)粒子在傳播過程中誘發(fā)的電磁信號第79頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)有實驗高能中微子：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80頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月間接探測暗物質(zhì)

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

鄰近的小尺度星系找暗物質(zhì)密度高，湮滅信號強的地方

暗物質(zhì)暈中心：如最近的銀河系中心第81頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月空間間接探測帶電粒子PAMELA（2008）正電子超出反質(zhì)子無超出第82頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月正負電子總流強ATIC（紫金山天文臺常進）FermiLAT正負電子超出，有結(jié)構(gòu)正負電子超出，無明顯結(jié)構(gòu)第83頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月HESS正負電子超出，無明顯結(jié)構(gòu)紫金山天文臺常進主持的暗物質(zhì)探測衛(wèi)星項目預(yù)計2014年第84頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月e^+-:SZeffectICSemissionSynchrotronemissionHowtomodelthetransportprocess正負電子Multi-wavelength?Colafrancesco,IoP/RASMeeting2007第85頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月X-rayradioγ-ray復(fù)雜熱鬧的銀河系中心radio第86頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月Fermi-LAT光子第87頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月我們的研究：低頻窗口（射電波段）？第88頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月我們研究的對象：

鄰近的小尺度星系HighlatitudeHighestmass/light第89頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月GMRT@Indian

30dishesof45mdiametereach(14incenter&16outerY)150MHz,68’,1.5mJy235MHz,44’,0.6mJy325MHz,32’,0.3mJy610MHz,17’,0.02mJy1420MHz,7’,0.03mJy第90頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗物質(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謎。多種探測手段的綜合是趨勢現(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)宇宙層級結(jié)構(gòu)的形成不同尺度的天體系統(tǒng)（從星系到星系團）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91頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.2暗能量第92頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月2011年度諾貝爾物理獎SaulPerlmutterAdamRiessBrianSchmidt他們研究了幾十個稱為‘超新星’的爆炸星球，并發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹（1998年）第93頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月膨脹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·百萬秒差距，這意味著一個星系距離地球每增加百萬秒差距（3.26百萬光年），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94頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月標準燭光“量天尺”造父變星約幾千萬光年內(nèi)星體的距離更亮的“燭光”更大尺度上的距離測量“Ia型超新星”第95頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月Ia型超新星白矮星會通過引力，從它的伴星身上竊取氣體

當白矮星超過1.4倍太陽質(zhì)量，它就會爆炸，變成一顆Ia型超新星。

第96頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月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97頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月如何尋找Ia型超新星1980年代丹麥天文學(xué)家兩年的時間內(nèi)只找到2顆第98頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

20世紀90年代中期，美國的兩個相互競爭的超新星研究小組對一批高紅移的Ia型超新星做了仔細的測量。一個是SaulPerlmutter

領(lǐng)導(dǎo)的“超新星宇宙學(xué)項目”組（1988年）；另一個是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99頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月加速膨脹！發(fā)現(xiàn)：遠處的超新星偏離預(yù)期越暗，顯示越遠第100頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月十三年來，科學(xué)家又觀測了許多Ia型超新星，總數(shù)達幾百顆，對其分析也更加深入，實驗數(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101頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月mM斥力組分v.s引力組分第102頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗能量的提出：負壓強。（注意：輻射w=1/3,物質(zhì)w=0)宇宙學(xué)常數(shù)對應(yīng)的w=-1斥力組分:暗能量第103頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月斥力組分v.s引力組分第104頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

暗能量理論模型簡介

1）宇宙學(xué)常數(shù)（真空能）2）動力學(xué)場：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)？還是動力學(xué)的？認識暗能量首要任務(wù)：基于天文觀測數(shù)據(jù)、開展整體分析、確定暗能量狀態(tài)方程宇宙學(xué)常數(shù)問題！第105頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月暗能量研究小結(jié)暗能量的理論模型很多（宇宙學(xué)常數(shù)；動力學(xué)場），需要更精確的觀測認證。觀測發(fā)現(xiàn)宇宙的加速膨脹要求有暗能量的存在。暗能量貢獻的是負壓。現(xiàn)階段研究暗能量的關(guān)鍵在于確定其狀態(tài)方程W（z）？---我國的天籟項目第106頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙組分分配

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107頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月BeforeWMAPWMAPHighprecision

精確宇宙學(xué)的誕生第108頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月21世紀物理學(xué)v.s19世紀物理學(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)致了世紀性的革命

——相對論與量子力學(xué)?，F(xiàn)在也有兩朵烏云（三朵？四朵？）：“暗能量”與“暗物質(zhì)”——會導(dǎo)致什么？109第109頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月分類獲獎人項目恒星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110頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)展來的……

假如一個年輕人，他覺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)在對科學(xué)的最大的挑戰(zhàn)，已不僅是那些已知的物質(zhì)。因為在我們知道的物質(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，這個方法可稱為“整體統(tǒng)一”。我認為，“整體統(tǒng)一”的科學(xué)方法，應(yīng)該是21世紀最重要的科學(xué)方法。

——

李政道第111頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.3暴脹宇宙第112頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月1.視界與平直問題視界問題微波背景輻射是高度各向同性的，→整個宇宙應(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，如何進行信息交換？如大統(tǒng)一時代的視界為3×10-26cm，遠小于宇宙尺度3cm。

光子在目前宇宙視界上相對兩點間的運行時間超過宇宙年齡第113頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月

平直問題目前宇宙密度參數(shù)Ω0的值接近于1，說明宇宙是平直的。→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114頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月2.暴脹宇宙物質(zhì)相互作用的四種力 強度 作用 范圍(m)強相互作用力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115頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月大統(tǒng)一理論(GUT)認為在極高的溫度下，強相互作用力、弱相互作用力和電磁相互作用力是統(tǒng)一的。當t=10-35s,T

降至1028K以下，強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)到原來的速度。第116頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月對視界和平直問題的解釋

即使宇宙早期位形是高度彎曲的，經(jīng)過暴脹會變?yōu)槠街薄Ｓ钪嫫鹪从谝粋€極小的區(qū)域（比經(jīng)典大爆炸模型?。诒┟浨坝钪娴拇笮∵h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117頁，課件共124頁，創(chuàng)作于2023年2月TopQuark,HiggsPhysics和宇宙學(xué)（ElectroweakBaryogenesis)Whynoanti-matter-------Baryo/Leptogenesis三個條件：1）B破壞（Sphaleron)2）CandCP破壞(CKM不夠）