宇宙学研究的几个里程碑课件

宇宙学研究的几个里程碑陆陆 埮埮中国科学院中国科学院中国科学院中国科学院 紫金山天文台紫金山天文台紫金山天文台紫金山天文台南京大学物理系南京大学物理系南京大学物理系南京大学物理系粒子核宇宙学联合研究中心粒子核宇宙学联合研究中心粒子核宇宙学联合研究中心粒子核宇宙学联合研究中心宇宙学研究的几个里程碑陆 埮1Feynman 名言名言 “物理学家具有这样的习惯，对于任物理学家具有这样的习惯，对于任一类现象，研究它们的最简单例子，把这一类现象，研究它们的最简单例子，把这称为称为物理物理，而把更复杂的情况，看作，而把更复杂的情况，看作其它领域的事。其它领域的事。”R.P.FeynmanFeynman 名言2宇宙学原理的观测依据宇宙学原理的观测依据宇宙在大尺度上是均匀的，没有边界，也宇宙在大尺度上是均匀的，没有边界，也没有中心。没有中心。“一切平等一切平等。”从每个典型星系上看到的宇宙是完全一样从每个典型星系上看到的宇宙是完全一样的。的。“没有任何一个地方有优先权没有任何一个地方有优先权。”宇宙学原理的观测依据3宇宙学的框架宇宙学的框架牛顿力学无法建立宇宙学的框架牛顿力学无法建立宇宙学的框架广义相对论可以作为宇宙学的框架广义相对论可以作为宇宙学的框架宇宙学的框架牛顿力学无法建立宇宙学的框架4宇宙膨胀的发现宇宙膨胀的发现Hubble关系：宇宙膨胀的发现Hubble关系：5宇宙学模型宇宙学模型Einstein模型模型Friedmann模型模型宇宙学模型Einstein模型6宇宙动力学方程宇宙动力学方程Einstein方程：ttss消去 ，得宇宙动力学方程 临界密度（k0）：g/cm3膨胀动力决定于膨胀动力决定于（3P/c3P/c2 2），），不只决定于不只决定于。宇宙动力学方程Einstein方程：膨胀动力决定于7两个重要的可观测量两个重要的可观测量哈勃常数膨胀速度哈勃常数膨胀速度减速因子减速因子两个重要的可观测量哈勃常数膨胀速度减速因子8演化的宇宙演化的宇宙演化的宇宙9演化的宇宙演化的宇宙热大爆炸宇宙学热大爆炸宇宙学1948，G.Gamow两大成就：两大成就：原初原初核合成核合成 微波背景辐射微波背景辐射1965，A.A.Penzias，R.W.Wilson演化的宇宙热大爆炸宇宙学1948，G.Gamow10宇宙演化宇宙演化时间表时间表轻核素合成轻核素合成背景辐射产生背景辐射产生结构形成结构形成宇宙演化时间表轻核素合成背景辐射产生结构形成11原初核素成分的演化原初核素成分的演化12核素丰度的确定核素丰度的确定Burles,S.et al,astro-Burles,S.et al,astro-ph/9903300 ph/9903300 2.62.6 1010-10-10 n nBB/s/s 6.2 6.2 1010-10-10相当于相当于相当于相当于 BB=(1.8=(1.8 4.3)4.3)1010-31-31 (g/cm (g/cm3 3)核素丰度可以确定重子物核素丰度可以确定重子物核素丰度可以确定重子物核素丰度可以确定重子物质密度（可见物质密度）质密度（可见物质密度）质密度（可见物质密度）质密度（可见物质密度）核素丰度的确定Burles,S.et al,astr13高度各向同高度各向同 性性T2.728 K光子数密度光子数密度 400 cm-3宇宙曾经非宇宙曾经非 常均匀常均匀微波背景辐射的成功微波背景辐射的成功（1965）获诺贝尔奖之作获诺贝尔奖之作1965发现发现1978获奖获奖微波背景辐射的成功（1965）获诺贝尔奖之作14暗 物 质暗 物 质15暗物质存在的首个证据暗物质存在的首个证据早在早在19371937年，年，F.ZwickyF.Zwicky指出，大星系团中指出，大星系团中的星系速度太大，以致无法将它们通过引的星系速度太大，以致无法将它们通过引力束缚住，除非它们的质量超过按星系团力束缚住，除非它们的质量超过按星系团星系总质量估算值的星系总质量估算值的100100倍以上。这是显示倍以上。这是显示大量暗物质存在的首次发现。大量暗物质存在的首次发现。暗物质存在的首个证据早在1937年，F.Zwicky指出，16力学方法用力学方法测出的质量往往比用光度方法用力学方法测出的质量往往比用光度方法测出的质量大得多，有量级之差。测出的质量大得多，有量级之差。测量范围越大，差别越大测量范围越大，差别越大存在存在暗物质暗物质（可大（可大1个量级）个量级）:有引力，却不发光有引力，却不发光力学方法17V R-1/2(Kepler)V constVR-1/2(Kepler)Vconst187 spiral galaxies.The flatness indicates the presence of huge dark halos.(V.J.Martinez,astro-ph/0203377).巨大的暗晕：巨大的暗晕：存在暗物质存在暗物质7 spiral galaxies.The flatnes19 暗物质存在的其他证据暗物质存在的其他证据宇宙结构（恒星、星系）形成所需的物质远多于宇宙结构（恒星、星系）形成所需的物质远多于宇宙核合成定出的重子物质。宇宙核合成定出的重子物质。如果没有暗物质，就没有足够的时间形成今天宇如果没有暗物质，就没有足够的时间形成今天宇宙的结构。有了暗物质，就可以在复合期前在暗宙的结构。有了暗物质，就可以在复合期前在暗物质中形成增长。物质中形成增长。CMB非各向同性的存在，非各向同性的存在，105。暗物质存在的其他证据宇宙结构（恒星、星系）形成所需的物20暗物质的性质暗物质的性质暗物质不发光，却有引力。暗物质不发光，却有引力。宇宙中暗物质比可见物质多得多。宇宙中暗物质比可见物质多得多。暗物质粒子的主要性质：暗物质粒子的主要性质：1 1）长寿命（至少与宇宙年龄相仿）；）长寿命（至少与宇宙年龄相仿）；2 2）主要是冷的（质量大）；）主要是冷的（质量大）；3 3）作用很弱。）作用很弱。主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。“过尽千帆皆不是过尽千帆皆不是（温庭筠（温庭筠）”！可能候选者：可能候选者：Neutralino、Axion等。等。暗物质的性质暗物质不发光，却有引力。21核合成可确定核合成可确定 B BB B 1 1大量存在非重子物质大量存在非重子物质暗物质暗物质DMDM仍远小于仍远小于1 1还缺什么？还缺什么？核合成可确定BB 122暴暴 胀胀 模模 型型暴 胀 模 型23视视 界界 问问 题题与与t的关系：的关系：Lhor(t)ct因果关系因果关系够得着的范得着的范围R(t)t1/2宇宙尺度因子（辐射为主情形）宇宙尺度因子（辐射为主情形）R(t)t2/3宇宙尺度因子（物质为主情形）宇宙尺度因子（物质为主情形）Lhor随随t的增长比的增长比R快快tt0：nowtR：4105 yrtG：1036 sLhor(t)1028 cm41023 cm3 1026 cmR(t)1028 cm1025 cm3 cm观测到的均匀在观测到的均匀在tG时包含时包含(1026)3=1078个因果区个因果区视 界 问 题与t的关系：tt0：nowtR：4105 y24平直性问题平直性问题宇宙早期物质密度永远十分接近于临界密度！宇宙空间是平直的。为什么？除非有特殊机制保证如此！平直性问题宇宙早期物质密度永远十分接近于临界密度！25暴胀宇宙学暴胀宇宙学(10-34,10-32)秒存在暴胀秒存在暴胀 A H Guth1981 （宇宙尺度猛增了（宇宙尺度猛增了e100=1043倍，因此实际对倍，因此实际对应的是一个因果区的极小一部分，能满足因果率应的是一个因果区的极小一部分，能满足因果率要求）要求）预言：预言：无论辐射为主或物质为主，均增大无论辐射为主或物质为主，均增大暴胀宇宙学(10-34,10-32)秒存在暴胀 A 26宇宙熵宇宙熵今天的熵1086。如果守恒，如何起源？早期熵很大，就保证了 很小。宇宙熵今天的熵1086。如果守恒，如何起源？27标准与暴胀标准与暴胀标准与暴胀28彷徨与徘徊彷徨与徘徊（几十年）（几十年）可测量：可测量：H（哈勃常数）（哈勃常数）q（减速因子）（减速因子）长期无法测准，几十年争论不休长期无法测准，几十年争论不休彷徨与徘徊（几十年）可测量：H（哈勃常数）29宇宙年龄问题宇宙年龄问题宇宙年龄问题30哈勃年龄哈勃年龄：1/H0真实年龄小于哈勃年龄真实年龄小于哈勃年龄不管不管k k1 1、0 0、1 1，总有总有哈勃年龄：1/H0真实年龄小于哈勃年龄不管31 宇宙年龄的上限宇宙年龄的上限如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄：如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄：t1/H0（称哈勃年龄）（称哈勃年龄）存在引力，宇宙减速膨胀，存在引力，宇宙减速膨胀，宇宙真正年龄宇宙真正年龄t1/H0：哈勃年龄为哈勃年龄为宇宙年龄上限宇宙年龄上限。宇宙年龄的上限如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄：321929年，哈勃本人首次给出H0500（km s-1 Mpc-1）1936年，哈勃考虑到星际消光的影响，将哈勃常数改 为H0=526,误差15%。（由此给出的宇宙哈勃年龄很短，（由此给出的宇宙哈勃年龄很短，只有只有H0-1=1.84 108 年。）年。）1956年，Humasion等人给出H0=180。1961年，Sandage等人给出H0=9815。1970s年，Sandage等人给出H0=50.34.3;de Vaculear等人给出H0=100 10。哈勃常数测定的变迁哈勃常数测定的变迁目前（目前（20022002）值：）值：H0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 1/H0=(1.38 0.14)1010 年年1929年，哈勃本人首次给出H0500（km s-1 Mp33q?No!?加速膨胀的发现加速膨胀的发现首先要选强的标准烛光光源首先要选强的标准烛光光源Ia型超新星型超新星q?No!?加速膨胀的发现首先要选强的标准烛光光源34比较引力理论比较引力理论牛顿：广义相对论：物态：w0（非相对论）；1/3（相对论）对于一般物质，w不可能是负的不可能是负的。比较引力理论牛顿：35空间空间物质物质空间物质36爱因斯坦的宇宙常数爱因斯坦的宇宙常数 Einstein方程：存在 相当于作如下变换：提供了正密度正密度(c2/8G)，负压强负压强(c4/8G)。正密度正密度负压强负压强暗能量暗能量代表一种代表一种“新物质新物质”爱因斯坦的宇宙常数 Einstein方程：正密度负压强暗37暗能量模型暗能量模型(1)宇宙常数、真空能量宇宙常数、真空能量:w=-1(2)(3)(2)Quintessence:-1w0(3)Phantom:w1z1的的IaIa型超新星型超新星左边为发现时刻的左边为发现时刻的超新星，中间为发超新星，中间为发现前的情形，后面现前的情形，后面为两者相减的结果。为两者相减的结果。Riess,A.G.et al.,astro-ph/043下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。44精确宇宙学的诞生精确宇宙学的诞生精确宇宙学的诞生45一箭多雕一箭多雕多方面检验多方面检验宇宙膨胀宇宙膨胀微波背景辐射微波背景辐射宇宙大尺度结构宇宙大尺度结构核合成核合成哈勃常数哈勃常数等多方面检验限定。等多方面检验限定。一箭多雕多方面检验宇宙膨胀46微波背景辐射的各微波背景辐射的各向异性：向异性：COBE（上）；（上）；WMAP（下）全天图。（下）全天图。WMAP的分辨率的分辨率和灵敏度远高于和灵敏度远高于COBE。Freedman&Turner,2003,astro-ph/0308418微波背景辐射的各47宇宙微波背景辐宇宙微波背景辐射的各向异性：射的各向异性：综合所有综合所有WMAP前的数据的前的数据的CMB的角功率谱。的角功率谱。Freedman&Turner:2003,astro-ph/0308418宇宙微波背景辐Freedman&Turner:200348CMB功率谱（WMAP）G.Hinshaw et al,ApJS,148(2003),135红线代表最佳宇宙模型D.N.Spergel et al,ApJS,148(2003),175功率谱功率谱CMB功率谱（WMAP）红线代表最佳宇宙模型功率谱49检验暴胀模型检验暴胀模型WMAP结合H0和Ia超新星，或结合大尺度结构数据，可以限定|1-tot|0.03。WMAP支持暴胀模型的近似标度不变涨落谱的预言。检验暴胀模型WMAP结合H0和Ia超新星，或结合大尺度结构数501998-2003:1998-2003:和谐宇宙模型和谐宇宙模型超新星超新星微波背景辐射微波背景辐射大尺度结构大尺度结构和谐一致和谐一致可以看出，仅有可见可以看出，仅有可见物质和暗物质，不可物质和暗物质，不可能得到合理的结果。能得到合理的结果。1998-2003:和谐宇宙模型超新星可以看出，仅有可见51A.Melchiorri,et al,PRD,2003,68,043509超新星超新星微波背景辐射各向异性微波背景辐射各向异性哈勃常数哈勃常数大尺度结构大尺度结构大爆炸核合成大爆炸核合成与宇宙常数接近与宇宙常数接近A.Melchiorri,et al,PRD,20052宇宙成分分配宇宙成分分配 Ostriker&Steinhardt,2003,Science,300,1909Ostriker&Steinhardt,2003,Science,300,1909暗能量：暗能量：73%；暗物质：；暗物质：23%；发光物质：发光物质：0.4%（恒星和发光气体（恒星和发光气体0.4%；辐射；辐射0.005%）；）；不可见的普通物质：不可见的普通物质：3.7%（星系际气体（星系际气体3.6%；中微子中微子0.1%；超重黑洞；超重黑洞0.04%）宇宙成分分配 Ostriker&Steinhardt,53 Before WMAPWMAPHigh precision 精确宇宙学的诞生精确宇宙学的诞生 Before WMAPWMAPHigh p54结结 语语结 语55Kelvin：19世纪物理学世纪物理学物理学正是一片晴空，但也还有两朵乌云：物理学正是一片晴空，但也还有两朵乌云：“以太以太”与与“黑体谱黑体谱”导致了世纪性的革导致了世纪性的革命命 相对论与量子力学。相对论与量子力学。现在也有两朵乌云现在也有两朵乌云（三朵？四朵？）：（三朵？四朵？）：“暗能量暗能量”与与“暗物质暗物质”会导致什么？会导致什么？暗能量在召唤新的暗能量在召唤新的Einstein！将会出什么新的！将会出什么新的“招招”？“暗能量暗能量”与与“以太以太”的比较耐人寻味！的比较耐人寻味！Kelvin：19世纪物理学物理学正是一片晴空，但也还有两朵56杨振宁：20世纪物理学世纪物理学20世纪物理学的第一个世纪物理学的第一个“1/4”是黄金时代，是黄金时代，第三个第三个“1/4”是白银时代。是白银时代。人们曾普遍惋惜未能赶上人们曾普遍惋惜未能赶上20世纪的黄金时世纪的黄金时代，现在很可能正是新世纪的黄金时代代，现在很可能正是新世纪的黄金时代”！不要！不要失之交臂失之交臂！杨振宁：20世纪物理学20世纪物理学的第一个“1/4”是黄金57总之，要动大手术总之，要动大手术与以太的比较：与以太的比较：Einstein去掉了以太，引出了相对论去掉了以太，引出了相对论 暗能量能去掉吗？暗能量能去掉吗？修改时空结构修改时空结构修改物态修改物态修改规律修改规律总之，要动大手术与以太的比较：58于无光处看闪电！于无光处看闪电！于无声处听惊雷！于无声处听惊雷！于无光处看闪电！59谢谢 谢谢Thank you谢 谢60