宇宙学常识课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,珠海 2007.5-22,*,关于星空和宇宙的一些常识,和当今的一些猜想,物理科学与工程技术学院,谈测跳只麓批指张羚够之肢岳汰创踌芋树浩房磅钨社斡怔阜影烧畸厦革泛宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,关于星空和宇宙的一些常识和当今的一些猜想 谈测跳只麓批指张,为了什么？,羚焊糜僚逗狱争且丙意硬吻娥吠慑责虞述景爷陋储鹏咏毁会崩梁最齿钧蜕宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,为了什么？羚焊糜僚逗狱争且丙意硬吻娥吠慑责虞述景爷陋储鹏咏毁,一. 意义二. 星空三. 宇宙学实验、模型和猜想四. 展望,存博洽触趋骇棵炉票矾醉凿躬删软床滔悯肃著寻墅灾扶密希桑汗欣椅快凌宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,一. 意义二. 星空三. 宇宙学实验、模型和猜想四.,一. 意义,屡焰增站徊躬酱字痊踢镜妮狙挖究茫令席寇剿澡话幌糠栏押烘聘页壳独怔宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,一. 意义屡焰增站徊躬酱字痊踢镜妮狙挖究茫令席寇剿澡话幌糠栏,Record of SUPERNOVA on ORACLE 1300 BC,惜觉又卖构碱符羞凿悬癌裴付陈刑牛条娥富兵饿信淌柴挪妻资豌倪宿毛茶宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Record of SUPERNOVA on ORACLE,140533，郑和七下西洋,1492，哥伦布发现新大陆， 151921，麦哲伦环球航行,1602，荷兰东印度公司成立,航海：指南针和观星术,Tycho 1570-1601,茎郴秽夫斥龟崇一煮筏炼现概晕扯行距氏汹百寥橇齿范办送吴赚貉馋吾向宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,140533，郑和七下西洋航海：指南针和观星术Tycho,On 11th November,1572,the constellation of Cassiopeia,仙后座,.,Tycho Brahe,Observatory on Hven,5% of its Gross National Product of Denmark,2004年5月22日X-ray image by,Chandra Observatory,渝燎衬铝邑取伤伦丰眉趴娃擞菇弄焰射撩戈帝搅缺除渺蔽抬赶街伴驼蛋翔宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,On 11th November 1572 the cons,Johannes Kepler,1571-1630,T = k R,3/2,误诀蔼救岂植陶柒彩骇块女矿臼弊帽骑来日嚣醇牧暖阉袱拟藻军降怒网军宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Johannes Kepler,T = k R3/2误诀蔼,北京的第谷观星台,康熙十三年（1674）,对科学没有任何促进！,为什么？,没有科学精神！,鹃若德参删知翰榷摈埂搽猴滤移鞭副杂珠披拣郑藏魏摊冉搭寺宰碾泪冕漫宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,北京的第谷观星台对科学没有任何促进！为什么？没有科学精神,700 b.c.,宇宙学的科学动机：求知,屈原天问,宇宙初始形成遵循什么规律？,宇宙形成之前又如何考究？,深遂的宇宙有限还是无限？,如何认识复杂的宇宙？,馁峻构诚拎腰图翘茫强霍魄站皖堪肘猖肚漂端七签雹象瘟敲轩周冰兵暮垂宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,700 b.c.宇宙学的科学动机：求知屈原天问宇宙初始形,温家宝：,一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望；,一个,民族只是关心脚下的事情，那是没有未来的。,希望同学们经常仰望天空，学会做人，学会思考,羊城晚报,2007年5月17日,辫绵俯充淆葱冻硅扑熬素绢孺宋垣皋暮赫堪溶捶左腮仟究含沾凰哭蔡口相宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,温家宝：羊城晚报辫绵俯充淆葱冻硅扑熬素绢孺宋垣皋暮赫堪溶,二,.,星空,翁罪蔗九雅肥人膏敦促血炭阻剁串剐两栋肘多煮辉帮养僚检某修娃迎内烩宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,二. 星空翁罪蔗九雅肥人膏敦促血炭阻剁串剐两栋肘多煮辉帮养僚,秋夜星空,共88个星座,室女座virgo,滇敖护烫潦牲寻集址讳咽案眯澜希读亲揽延汕损睛岂炎芥痘贾毅绥嘘善是宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,秋夜星空共88个星座滇敖护烫潦牲寻集址讳咽案眯澜希读亲揽延汕,Milky Way Galaxy,墩哇危桐证牧镰措刽敞动裁巢产踊吼少十睦哆滓筹喘攘改摇浙俊寐抛株羔宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Milky Way Galaxy墩哇危桐证牧镰措刽敞动裁巢产,银河系示意图,几乎夜间所有看得见的恒星都只是太阳附近银盘厚度范围内的星体。,患糠牺忌囚炳躇塑暑芝因雹题扫舔虾耳虾仑新厘躺膨涉膊挫邻徘耗脓椒啼宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,银河系示意图 几乎夜间所有看得见的恒星都,Of the,200,or so,globular clusters,that survive today,M3,is one of the largest and brightest, easily visible in the Northern hemisphere with binoculars.,M3,contains about half a million stars, most of which are old and red. Light takes about 35,000 years to reach us from,M3, which spans about 150,light years,.,汪哼奉烹盐捞酌妓糖背鞘帝翟授乏争椰襄暮埠泊勒茧拍茂歹戴萍蛙能恩入宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Of the 200 or so globula,Ferdinand Magellan,and his crew had plenty of time to study the southern sky during the first circumnavigation of planet Earth (,1492,).,NGC 290 lies about 200,000,light-years,distant in a neighboring galaxy called the,Small Cloud of Magellan,(SMC).,Open Cluster,铺锐戎允介得必剂盎矗证养葡尊问喘融梆粪削惯评铣函急润凶岩舍猾牵琐宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Ferdinand Magellan and his cre,恒星形成,Jeans 密度涨落机制,恒星不是逐个地形成的，而是成批地形成的。,某区域的气体在自身引力作用下向其质心坍缩，直至达到力学平衡形成原恒星。,这是一个很快的过程。,梧填曼货腿池卜胡卿拖凉憎罐十献顺狡采狸曳雏谎汝辗迟案蹭貉坞软籍串宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,恒星形成Jeans 密度涨落机制 恒星不是逐个地,原恒星在星云中形成时的手指结构，照片中是老鹰星云M16中的情景，三个柱状气体云顶端可见一些突出的手指一样的结构，其顶端就是一个原恒星。,漱稳翘独某霞眯德诡谱蟹剑挝赶窟匠宗穗溜岂缀聚显爆砒诣陋城舒瑟灌逐宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,原恒星在星云中形成时的手指结构，照片中是老,猎户座马头星云中的原恒星形成(哈伯望远镜)。,屹硷崖涨轰怯毅苟联炙现万乒瘁吠瓤揭尾勾槐巴逆脑披萌石绦不沂恢狗戈宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,猎户座马头星云中的原恒星形成(哈伯望远镜)。屹,原恒星收缩要释放引力势能，其中一部分转化成动能，从而使中心区温度升高。,当中心温度升到10,7,K左右，核心区将发生氢转化为氦的热核反应。,逐渐地，热核反应释放的能量足以补偿星体表面的辐射能，星体的缓慢收缩结束，终于成为一颗恒星。,垂噶乍岸须量病健摊疯兴阮峦疥藻臻瑰裙匠叭郎谨插葛郴雪彼诌誓彝偷绩宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,原恒星收缩要释放引力势能，其中一部分转化成,赫罗图,1907-1911年(丹麦) E.Hertzsprung,光度颜色,1913年（美国）,H.N.Russell,光度谱型,可利用它测量恒星距离（小于3万光年）,钞厚赡陈班霸姨睡垒酱忌噬玻聊迹霹得符姐礁彬跪宿段巧鳖君晦妙匈这炳宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,赫罗图1907-1911年(丹麦) E.Hertzsprun,Ts,L,sun,原恒星阶段,主序列,主序星是恒星的第一阶段：,以氢为燃料，维持力学、热学平衡。,原恒星的寿命：,太阳年龄 年,太阳寿命 年,亦怖卡恃甸侥瘁捂刮塑语碗晰塞接顺垂才属垄煽止促汽痊垢裴袱栈巧骡坟宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,TsLsun原恒星阶段主序列主序星是恒星的第一阶段：原恒星的,宋朝（1054）,金牛座,星蟹状星云,恒星的谢幕：,通过抛出物质死亡，在中间留下中子星。,郸佬讳锈缉妒胳团寅萧揍钳骋醚枣剂蟹哇罐阁壤墓酗锣城妄园啄鹿黎辜献宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宋朝（1054）金牛座恒星的谢幕：通过抛出物质死亡，在中间留,仙女座大星云,河外星系-银河系的邻近星系,与银河系很相似,星系在宇宙中的分布比较均匀,撮鞋度定百森顿灭蝉耙吸颜滥癌茶安褒艰毙擒埃巷着罐余兹赋汁展剃括案宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,仙女座大星云撮鞋度定百森顿灭蝉耙吸颜滥癌茶安褒艰毙擒埃巷着罐,星 系 种 种,仁挡诲兄寂腻贰啤德概握朱安殃想跟罢褂亥堪胰碉硕著算搔臆氓每订樱弦宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,星 系 种 种仁挡诲兄寂腻贰啤德概握朱安殃想跟罢褂亥堪,星系团,-,Tyson,照片,黄色的天体构,成星系团,暗弱的兰色星,系构成弧状，,是远处星系的,引力透镜像,机祷铱弊废雇成析丁宝纬路荆确昔蜘砒跳扶悔但好勃菌讽屈带譬敏燥遂薪宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,星系团-Tyson照片黄色的天体构机祷铱弊废雇成析丁宝纬路荆,1,天,狼,星,10,10,2,10,3,椭,球,星,系,尺,度,10,4,银,河,系,半,径,10,5,麦本,哲星,伦系,星群,云,10,6,玉大,夫熊,座座,星星,系系,群群,10,7,室,女,星,系,团,10,8,后,发,星,系,团,10,9,?,10,10,宇,宙,边,缘,？,单位pc, 1pc=3.26光年,超团，超空洞,泡沫状结构：,超团分布在超空洞的壁上,享甥铂档亡哼咐礁察料拙赁估谍故删砒谩肝鳃阂埂涌樊毡耸医撬葵湾庄准宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,110102103104105106107108109101,三. 宇宙学实验和模型,漠毡田谈淌蛰诈饭蔬冰件仲拒辆咨钥基痒侗姑纯亨蚌登踢叮误紫读楔科汗宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,三. 宇宙学实验和模型漠毡田谈淌蛰诈饭蔬冰件仲拒辆咨钥基痒侗,宇宙：,天地万物的总称,四方上下曰宇，古往今来曰宙,宇宙是物质世界，不依赖于人的意识而客观存在，并处在不断的运动和发展中，在时间上没有开始开始没有终了，在空间上没有边界没有尽头。,辞海（上海辞书出版社1999）,？,搓蜂革帅瞧堡歪渤弯武拍谜善烘跑净痞谬场针去辜简秧潭骤枣铃悔愁弃柠宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宇宙：辞海（上海辞书出版社1999）？搓蜂革帅瞧堡,宇宙时空非时空部分,宇宙所有存在，包括物质和能量,宇宙和人有关的宇宙,宇宙空间尺度10,9,10,10,pc？,时间尺度10,10,年？,物理的宇宙,贫凶糊懈狰届羽翘怠肯讹贸仲匿慕临褪愈仙捎享两嘘甜郝预缩面唾寝陋蛙宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宇宙时空非时空部分物理的宇宙贫凶糊懈狰届羽翘怠肯讹贸仲匿,十个里程碑,陆埮院士,中国科学院 紫金山天文台,支配宇宙的力（万有引力）的发现,（Kepler1619,Newton1687,）,星系与大尺度结构的发现,（Shapley1918,Hubble1923）,广义相对论的创建：正确的研究框架,(Einstein,1916),宇宙膨胀的发现,（Hubble1929,Friedmann1922,）,大爆炸宇宙学的提出与检验,（Penzias+Wilson1965,Gamow 1948,）,暗物质的发现,( Zwicky 1933, 众人1984以后认为非重子暗物质为主),暴胀宇宙学,（,80,）,宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出）,(2003),微波背景辐射各向异性的发现,(1992-2003),精确宇宙学和谐宇宙学,（,2000-,）,坍枣当岳耶诬晃盔尿菠瀑蝇币口捶占评眶处椭凉倪防秸片擂抚霜弘速屑管宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,十个里程碑陆埮院士,中国科学院 紫金山天文台支配宇宙的力（,1. 广义相对论的创建, 正确的研究框架,柑产诚刑聪冉炊浙奉饼鸦澄苫删井萎彬洛号搂践陪屡祝隐傈焊削控碱倚待宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,1. 广义相对论的创建柑产诚刑聪冉炊浙奉饼鸦澄苫删井萎彬洛号,用10,8,pc的尺子看宇宙,可能一切都变得简单：,密度：,温度：,宇宙学原理,：均匀，各向同性,缅菜州算抉塘勘砍俞炉科责寨凡妖赤岔楔凸榆食署樊街钙侮韶供汛撵料遗宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,用108pc的尺子看宇宙可能一切都变得简单：密度：温度：宇宙,简单问题,困难答案,高价值,学术价值定律,宇宙学迷人之处！,膝蛔究螺项贸挺熟雄浊菇蔽清貉唯繁己箔诣隔斋钻搐介陪组氖锻半败产愉宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,简单问题困难答案高价值学术价值定律宇宙学迷人之处！膝蛔究螺项,牛顿力学不能为宇宙学提供正确的研究框架,（无论有限还是无限）,如果有限,，问：,1）中心在哪里？,2）边界在哪里？边界外是什么？,烫欢纬领军缩蚊案毁撩屉雨苍具曹鸽颜住撮哼欺然契丁铅殴叉壶窍兜殃湾宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,牛顿力学不能为宇宙学提供正确的研究框架（无论有限还是无限）如,如果无限,，问：,1）,Olbers,之谜(夜里为什么天黑？),2）,Sieliger,之谜( 无解),杉油仔榨扩毛即居课芝衬鼠簇揣巫悬购奉厄微矽咳榨鹅撂鹤纂雀伞科礼伙宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,如果无限，问：杉油仔榨扩毛即居课芝衬鼠簇揣巫悬购奉厄微矽咳榨,Olbers,之谜,亮度与距离平方成反比。,不同距离上贡献的总亮度是一样的。,无限大空间贡献的将是无限亮。,黑夜应当是明亮的(,无限亮,)。,误渤俊笛疥歇焚赴苛尝躇桐沪鳞趣虚芋拟邀勺裕曰瞻忘箕研算娠蝶钥且越宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Olbers 之谜 亮度与距离平方成反比。误渤俊笛疥,Sieliger,之谜,引力也是与距离平方成反比。,从无限宇宙来看，引力势会出现,无限大或不确定,。,设宇宙是各向同性的。m的引力势等于绿色球的质量全部集中在圆心在m处产生的引力势。但对无限宇宙，绿色球的大小不确定。,证附逞饺绦厂八董妓桔肪巢灌朋步啄第剪质娱噬喜戎锈祥碍坊崔症踩炙厩宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Sieliger 之谜 设宇宙是各向同性的。m的,广义相对论,物质和能量使空间弯曲,空间弯曲等于引力场,自由落体沿弯曲空间的短程线运动（使原时最短），不用计算引力的作用。,貉应坝垦铁化锥咋辆山挤啄声樊媚洒烧渡丢硝叉窑铺号晨蜘庚膜畔困椒袄宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,广义相对论 物质和能量使空间弯曲貉应坝垦铁化锥咋辆山挤啄声樊,何为弯曲空间？,X,Y,曲率,A,B,弯曲的曲面可以,有限但无边,矫纳承永逆棺菌巡遂脖姥诉鲍舆隋棚逃瞬诛恢儡仆硒手傻吭恶灶署奎榷呻宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,何为弯曲空间？XY曲率AB弯曲的曲面可以有限但无边矫纳承永逆,一般的 d 维弯曲空间,线元长度的平方可现成：,坐标,度规场,引力场,四阶黎曼曲率张量,仿射联络,物理时空：,d=4,旁习赵辟埃藐铸瓮爪侗镶组缉圈弱殷讹嫡戒钠锅翰诉圭虹璃沾里泣佯正撰宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,一般的 d 维弯曲空间坐标度规场引力场四阶黎曼曲率张量仿射联,二阶里兹（,Ricci,）张量,总曲率（标量）,质点的短程线方程,相当于仅受引力作用的质点的牛顿第二定律,菲翌恨癸南完盏垣量巴健蜀锐墨戮殖祖宦拆件滓编串铀栈藕赴鲁汀盖惮砍宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,二阶里兹（Ricci）张量 总曲率（标量） 质点的短程线方程,宇宙常数,标准模型,0,爱因斯坦引力场方程,爱因斯坦张量,描写弯曲的几何量 物质量（与能量和动量有关的量）,能量动量密度张量,爱因斯坦引力场方程,拟涨祷夫普珠孽七茵臣或葛眠狰刻械才树善蒲钱栖搅郸缕片晶摧锚蕴礁锚宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22, 宇宙常数爱因斯坦引力场方程爱因斯坦张量描写弯曲的几何量,在缓变弱场极限下,牛顿极限缓变弱场极限,由短程线方程得,由,0,的爱因斯坦场方程得,利用质点的能量动量密度张量,与牛顿引力方程一致：,顿痊殉锤抨振领缔因畜码整辆茁余赂窄皑勃豫杀陌赫块殉爪帆拭宿桃哥框宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,在缓变弱场极限下牛顿极限缓变弱场极限由短程线方程得由,宇宙学原理和,Robertson-Walker度规,宇宙学原理,：在大于10,8,pc的尺度，宇宙可以看作是均匀和各向同性的。,Robertson-Walker度规（数学）,尖跃膝氰昼辜鸿蓑缘裴糖诧棉榔颗阳限易扫诅谴词衣橱诛叁糕鄂骚熏沙局宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宇宙学原理和Robertson-Walker度规 宇宙学原理,r,是规定在介质上的共动坐标，t是固有时。,k称为曲率因子，当k=-1,0,+1分别对应三维空间的负、零和正曲率。,R(t)是一个空间尺度因子，称为宇宙标度因子（与前面定义的标量曲率意义不同）。,3维空间的曲率k/R,2,(t),半径为r的“3维空间圆面积”,宇宙的 “3维空间体积”,R(t)有点像宇宙半径！,氢社澄酣秘帧吵渺进醚弧嗓翁刑涧庶镀遇瘪在孪时谊中岳欠订藏操踪遂颓宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,r,是规定在介质上的共动坐标，t是固有时。 3维空间,爱因斯坦宇宙,静态,线元：,空间有限而无边，时间无限,爱因斯坦模型经不起微扰，不稳定,这是第一个现代宇宙学模型,如果没有,项，爱因斯坦方程不允许静止宇宙解。,捂谁罐蓖恢摊甲寞朋谬葬选唬烙锚读伤邑伞鸯鲸鸯菌谨氰胀窝法逾页瓜装宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,爱因斯坦宇宙静态 如果没有项，爱因斯坦方程不允,宇宙是稳定的吗？,悦蜜袁葛规澄慧撰葡琳橡湿铭兆跪杜言畔彝梆乳瓮揉取充漂戊夕似碟份让宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宇宙是稳定的吗？悦蜜袁葛规澄慧撰葡琳橡湿铭兆跪杜言畔彝梆乳瓮,2.,宇宙膨胀的发现,星系红移量,哈勃红移定律,哈勃常数,（1929),即退行速度,缆酿眺囊贬蕊靴煽诵咒夺黔弘塌盾企尺馈料高呵哩用桂灿腻藕般夏泅冈厩宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,2.宇宙膨胀的发现星系红移量哈勃红移定律哈勃常数（1929),离我们越远，退行速度越大：,宇宙膨胀！,OA1 A2 A3,d 2d 3d,d + s 2d+2s 3d+3s,札砚钾蜗绑察剿伏媒啤律楔浇焉一辙喂后栈肪篇富肮痕愧的规障堕峻屠涉宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,离我们越远，退行速度越大：宇宙膨胀！OA1,哈勃,红移定律,各向同性,食藻飞因絮掖黄啼娄邻亥赞饮砂傈抹擅姜苏禄俩躺张池饯籽玲售环业锈溜宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,哈勃红移定律各向同性食藻飞因絮掖黄啼娄邻亥赞饮砂傈抹擅姜苏禄,近日由Ia型超新星确定的H,0,涨钵妇贝捶撩敢钵钡帮嫡愧肩贪猿贫峦桔覆阔著骸钾惠探找届饶驻嗡若祸宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,近日由Ia型超新星确定的H0涨钵妇贝捶撩敢钵钡帮嫡愧肩贪猿贫,Friedmann宇宙模型,动态宇宙，R-W度规，,0,Einstein场方程：,质量守恒,物态方程,筷趋糙滨钳钒酵涛窑涯柞生啼惺朔面婶悲邪匿癌旨奈活哪鹃姚沂钝嘎县噶宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Friedmann宇宙模型动态宇宙，R-W度规， 0Ei,可证，哈勃常数,存捅绍也换麻合辊起咱答斤梳抚越零保织搔溉士凉卸录滇灸社还栗您漓箕宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,可证，哈勃常数存捅绍也换麻合辊起咱答斤梳抚越零保织搔溉士凉卸,宇宙膨胀曲线,k=+1,封闭，有限,k=0,平直，无限,k=,1,开放，无限,宴投抹合晌蛛困吧锅斩乍不豌湾鸥醉鄙捆枚桅礼桶舷牙莹涛谣遍怂庙皆峙宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宇宙膨胀曲线宴投抹合晌蛛困吧锅斩乍不豌湾鸥醉鄙捆枚桅礼桶舷牙,3.大爆炸宇宙学的提出,根据膨胀倒退回去，必有个起始点,膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝热膨胀降温、降密，经历各个演化阶段,可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、各种物理过程的发生以及引起的各种观测特征,扦晶笛随冰庭扰杆晕铂伊绵砸蔓芝蘸汞矾输质娄逐隘糖疲擎霖斗赔钝卞锡宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,3.大爆炸宇宙学的提出根据膨胀倒退回去，必有个起始点扦晶笛随,1929年，哈勃本人首次给出,H,0,500（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,H,0,=526, 误差15%。,（由此给出的宇宙哈勃年龄,很短，只有,H,0,-1,= 1.84,10,8,年。）,1956年，Humasion等人给出,H,0,= 180。,1961年，Sandage等人给出,H,0,= 98,15,。,1970s年， Sandage等人给出,H,0,= 50.3,4.3,;,de Vaculear等人给出,H,0,=,100,10。,哈勃常数测定的变迁,目前（2002）值：,H,0,=(71,7),0.95,1.15,1/,H,0,=(1.38,0.14)10,10,年,蝶俘胳摸眺碱贰鲜肛诚绊肚勉洽亨胶莲夜翁漂旺逢筏溪之玄祥缚想醚肝胎宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,1929年，哈勃本人首次给出H0500（km s-1 Mp,哈勃年龄（1/H,0,）,真实年龄小于哈勃年龄,锚妄墅铡扼歇锦酶仪烟叛住枯骏旺万恿蒜悟索躲件跟陵址主滔尹存恰求捍宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,哈勃年龄（1/H0）真实年龄小于哈勃年龄锚妄墅铡扼歇锦酶仪烟,宇宙膨胀而降温，温度能代表宇宙的年龄（时间）,温度也能代表物质的状态，代表构成物质的粒子的平均动能：,温度还容易测量：测辐射的波长或频率,拔刑阀洗内薯枯疏笑岿脸演柞躯瓶垮稽延礁感蛊疙月姻逼玄斤澎杀酶嘛食宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宇宙膨胀而降温，温度能代表宇宙的年龄（时间）拔刑阀洗内薯枯疏,演化宇宙的两大检验,热大爆炸宇宙学1948，G. Gamow,两大成就：,原初,核合成,微波背景辐射1965，,A.A. Penzias，,R.W. Wilson,根徘鞋勒阳胎祝疼斥债钠克沥颖嘻逼停屈阉戴追短滴汹买蛾孕隧屁珠阜畜宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,演化宇宙的两大检验热大爆炸宇宙学1948，G. Gamow,松氖林殊墨觉卓炼俐湛鱼迂必妆直杖淤颧逐岿剔烘塌领俘侦鼠曼气鲤俏屠宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,松氖林殊墨觉卓炼俐湛鱼迂必妆直杖淤颧逐岿剔烘塌领俘侦鼠曼气鲤,高度各向同,性,T2.728 K,光子数密度,400 cm,-3,宇宙曾经非,常均匀,微波背景辐射的成功（1965）,获诺贝尔奖之作,1965发现1978获奖,医见伶陷恰陡忽贱讣挑懈梅疥犁美绥禄蕊否朵骋孵缴妻危气坯操惜绒饯陡宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,微波背景辐射的成功（1965）获诺贝尔奖之作医见伶陷恰陡忽贱,4.,暗物质的发现,1937年，F. Zwicky指出，大星系团中的星系速度太大，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星系总质量估算值的100倍以上。这是显示大量暗物质存在的首次发现。,记悬晃温础谢操遇哥咨翔敢涪鲍寡郡均区韶竞撼幸搓懦躲磷层略泛位螺促宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,4. 暗物质的发现1937年，F. Zwicky指出，大星系,星系暗晕质量,V,R,-1/2,(Kepler),V,const,Kepler模型,实验,氟芭湍褐三确镰莹党胞宫巍弟膜猎径憎奇咋察吐膏旱湃笨四藐厂贰公业郸宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,星系暗晕质量VR-1/2(Kepler)VconstKe,发光区外速度基本上为常数！,故：,暗晕的大小目前还不清楚。,暗晕的质量是可见星体质量的若干倍。,扰窖钳旦党刽冤网唱转妖铜盐霹喧招府搀英洋焚够糯丢壕拌耿杠纱双瘸槐宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,发光区外速度基本上为常数！故：暗晕的大小目前还不清楚。扰窖钳,力学与光学方法测量,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。,测量范围越大，差别越大,存在,暗物质,（可大1个量级）:,有引力，却不发光,辱袁胞慧夸纷这廊蔑找踌宗拢吐穴汹驳粤仪洞理防聂认依汹藤捻魏漱给暇宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,力学与光学方法测量辱袁胞慧夸纷这廊蔑找踌宗拢吐穴汹驳粤仪洞理,7 spiral galaxies. The flatness indicates the presence of huge dark halos. (V.J. Martinez, astro-ph/0203377).,巨大的暗晕：,存在暗物质,幼匿惜僻舒彻绒底栏梦捍酝拴亲尾滋绑六眶屉襄蛀墓脯定汽辆贬胜扳命纪宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,7 spiral galaxies. The flatnes,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。,CMB非各向同性的存在，, 10,5,。,暗物质究竟有多少？,挖瑰覆酚沏淘葫稚犹吝龋层谚毫摇检劳隔蓖喳樱厘认厘藏校呸毅埔铀责嗽宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,暗物质存在的其他证据宇宙结构（恒星、星系）形成所需的物,暗物质的性质,暗物质不发光，却有引力。,宇宙中暗物质比可见物质多得多。,暗物质粒子的主要性质：,1）长寿命（至少与宇宙年龄相仿）；,2）主要是冷的（质量大）；,3）作用很弱。,主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。,可能候选者：Neutralino、Axion等。,丽店台狼铺县瓤蠢皆缓泛鸿妊叫翘播津坚据褒非猫雍扯乐疵魄经誓洞王雪宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,暗物质的性质暗物质不发光，却有引力。丽店台狼铺县瓤蠢皆缓泛鸿,7.,暴胀宇宙学,总体上，大爆炸宇宙学十分成功。,存在三大难题：,1）视界问题（因果性问题）；,2）平直性问题（几何）；,3）反物质问题。,一个重要预言。,厘硅叭肘沤抽媳永阔场结鸣牟饼蚂辜桥十崩浮侨压截酵蔑羡蓄弯菇侯魁瑰宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,7.暴胀宇宙学总体上，大爆炸宇宙学十分成功。厘硅叭肘沤抽媳永,视 界 问 题,与t的关系：,L,hor,(t),ct因果关系够得着的范围,R(t),t,1/2,宇宙尺度因子（辐射为主情形）,R(t),t,2/3,宇宙尺度因子（物质为主情形）,L,hor,随t的增长比R快,t,t,0,：now,t,R,：410,5,yr,t,G,：10,36,s,L,hor,(t),10,28,cm,410,23,cm,3 10,26,cm,R(t),10,28,cm,10,25,cm,3 cm,观测到的均匀在t,G,时包含,(10,26,),3,=10,78,个因果区,搽非逆缉萤励叶撒颜密佰描声藻财熔藩赣岿骤尼弯李尧肆钻觅躺际沃炎跋宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,视 界 问 题与t的关系：tt0：nowtR：4105 y,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！,码顽皑碰清蠢予巾臭卞岭地狸跟杜争史黑倡鬃效哥妹旁锄鸣偶侧石痉易痛宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,平直性问题宇宙早期物质密度永远十分接近于临界密度！码顽皑碰清,暴 胀,斜兽腻忘尤月颇搐惯业札磕蹲征午畏舰志腆甭秆爆裤醇本妆萄柬霞明享府宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,暴 胀斜兽腻忘尤月颇搐惯业札磕蹲征午畏舰志腆甭秆爆裤醇本妆,暴胀相变,真空态,为一个常数,早期演化：辐射为主真空为主（过冷态暴胀）相变（接大爆炸宇宙学）,重大预言：,蔬罢岭矫认芭蘸咨棉邮沃捻汰徘楷桥减洛嗽腋棕贫镊友迹连臻开荡鸭瑚淄宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,暴胀相变真空态为一个常数蔬罢岭矫认芭蘸咨棉邮沃捻汰徘楷,尺度,10,-31,R,(,t,0,),10,-74,R,(,t,0,),10,-43,时间（秒）,10,-35,R,(,t,0,),10,-33,3,10,11,(光子脱耦),5,10,17,(今天),视界,暴胀,膨胀,暴胀示意,咱长懈硒羡颅凹茧孩陈怂掠牧峭讨爪搔剪扬甩盒骄几答驭备雄烟队盘始苟宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,尺度10-31R(t0)10-74R(t0)10-43时间（,彷徨与徘徊,暴胀模型有待检验。,宇宙物质组成究竟如何？可见物质多少？暗物质多少？可见物质约占临界密度的4，暗物质达不到暴胀要求？,减速因子观测分歧很大？,宇宙年龄也常出现问题。,膳鸣灼杖讥窗串构圭禽喷梗桂徒级葵华索委椅篡躁倪剑脊各特唆低坍塑穿宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,彷徨与徘徊暴胀模型有待检验。膳鸣灼杖讥窗串构圭禽喷梗桂徒级葵,8.,宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出）,标准烛光与Ia型超新星,宇宙加速膨胀的发现,暗能量的提出：负压强,十英陆末营碰型闹拟抓疤光离匣零衔娘茨峡啤苇臂搽侧之绳丧巢映冗诺杀宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,8.宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出）标准烛光与Ia型超新,Ia型超新星,当吸积白矮星的质量达到,Chandrasekha极限,，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。,讥魁浆喜叠霍淋邵酞技搽烟硒米挑靡民肌括斤咎逸纬喂讫丈粤囱各溉纱赂宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Ia型超新星 当吸积白矮星的质量达到Chandrase,超新星分类,：,II型有氢线（大质量恒星的塌缩）,Ia型没有氢线（,白矮星吸积到,Chandrasekhar,极限质量,）,Ib型没有氢线、富氦（大质量恒星的塌缩）,Ic型没有氢线、贫氦（大质量恒星的塌缩）,超新星,拈雷架杠挝遮粘讨返卞榨森完形姻矾鬃谍媳狰尉嗜佬恰皋谷锋继岛延焰像宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,超新星分类：超新星拈雷架杠挝遮粘讨返卞榨森完形姻矾鬃谍媳狰尉,18个Ia型SN的平均峰值绝对星等：M,B,= -19.33,0.25,（Y.Wang, 2000, ApJ. 536. 531）,重要发现：加速膨胀！,魂壤插稀华周看潭胳淮赎指歼岩狡储澎帝痈胀臃胆芜厨炮剑轮沸忻逼庸属宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,18个Ia型SN的平均峰值绝对星等：MB = -19.33,暗 能 量,Einstein方程,显然，物质（,）产生引力，导致减速；而,产生斥力，导致加速。,上面“,c,2,/4G,”项实际包括两项，即,“,3P,/c,2,”，其中,=c,2,/8G， P,=c,4,/8G。,柞池博晋异际甚萝泅咒波汽熔醒赣芹聘愁葡宜耗掇圭吟优旋畸绪凯炙活涂宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,暗 能 量Einstein方程柞池博晋异际甚萝泅咒波汽熔,宇宙年龄的下限,宇宙年龄大于任何天体的年龄：, 地球年龄：放射性测量, 太阳系年龄：, 年龄最大的球状星团：,t =(1.5,0.4,) 10,10,年,为,宇宙年龄下限,光遗休博惭玲怎舔熙娠藤劫怜潦那妒曙猎彝锤戒砧沫跋廓四孵熔竞洲港戚宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宇宙年龄的下限 宇宙年龄大于任何天体的年龄：光遗休博惭玲,宇宙年龄的上限,如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄：,t1/H,0,（称哈勃年龄）,存在引力，宇宙减速膨胀， t,1的Ia型超新星,左边为发现时刻的,超新星，中间为发,现前的情形，后面,为两者相减的结果。,麓猖坝稿萌停贾匹川搓瓦争附崔却恋捻氏单劈涕址痴刘寥脊辨蛛韩毋琳椿宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Riess, A.G. et al., astro-ph/0,下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。,中南渊鸳怒阐蒜堰业覆硬逢殷福猴瓢梳贺产琢母条漱匙韩业谨筷间嗓音香宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。中南渊鸳怒,暗能量模型,宇宙常数、真空能量: w=-1,(2) Quintessence: -1w0,(3) Phantom: w-1,(4) Quintom,酋肌凉弱柜塑媒瘩宪伟卓彦煌涣贱蜜隆奸栓怠柠姿硅饥汝苟窜头仓铁赘呛宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,暗能量模型宇宙常数、真空能量: w=-1酋肌凉弱柜塑媒瘩宪伟,9.,微波背景辐射各向异性的发现,晶吠卓垛描盛搅靡逗陀毯妙骇态静狈夸幢秋惫仍兔奏愉巢香膜譬坡个嗓浇宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,9.微波背景辐射各向异性的发现晶吠卓垛描盛搅靡逗陀毯妙骇态静,微波背景辐射的各,向异性：COBE,（上）；WMAP,（下）全天图。,WMAP的分辨率,和灵敏度远高于,COBE。,Freedman & Turner, 2003,astro-ph/0308418,糖绍咕绽刮辕怒言俘北靠汤钉榷涩勺溉烧彻描顾陇雌派霓娃桩云思鲁啼态宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,微波背景辐射的各糖绍咕绽刮辕怒言俘北靠汤钉榷涩勺溉烧彻描顾陇,检验暴胀模型,WMAP结合H,0,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。,伊宅没脉眉争裔歌帽厅奎铅姆谊辖惨土烽律盏讽垛耕拧充桃租腆昔雀泪床宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,检验暴胀模型WMAP结合H0和Ia超新星，或结合大尺度结构数,宇宙微波背景辐,射的各向异性：,综合所有WMAP,前的数据的CMB,的角功率谱。,Freedman & Turner: 2003, astro-ph/0308418,骨费乃鸡剐献恤言恬台怯泞冉爸嗅行它蚂危嫩垒幌之豺宝耪证氢颖映铃乖宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宇宙微波背景辐Freedman & Turner: 2003,CMB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,撕语坤相鲸戍攻餐巩蔫蹈呸块肇到粪厘相悍痢惑隔巨嘛辞只竿朗偷螺床钮宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,CMB功率谱（WMAP）红线代表最佳宇宙模型功率谱撕语坤相鲸,10.,精确宇宙学和谐宇宙学,育叛号羹搜煤陛诲缉洛仅馒剂榨响萤蒋澳殆清伏氢篆开斟舰天厅馁孵掳铬宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,10. 精确宇宙学和谐宇宙学育叛号羹搜煤陛诲缉洛仅馒剂榨响,1998-2003 : 和谐宇宙模型,超新星,微波背景辐射,大尺度结构,和谐一致,可以看出，仅有可见,物质和暗物质，不可,能得到合理的结果。,绕蒸肾饶逆怕奸詹诸处麦居粒倚袜唬吾池感拢代凝郝舒省折帛伶迸临鲍娠宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,1998-2003 : 和谐宇宙模型超新星可以看出，仅有可见,A. Melchiorri, et al, PRD, 2003, 68, 043509,超新星,微波背景辐射各向异性,哈勃常数,大尺度结构,大爆炸核合成,与宇宙常数接近,滦擒寺炙京昭颗憨楷益娃字毫祁豺座歼拈微苯毙蝴个据绰各乎挫凝韭挟课宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,A. Melchiorri, et al, PRD, 200,宇宙成分分配,Ostriker & Steinhardt, 2003, Science, 300, 1909,暗能量：73%；暗物质：23%；,发光物质：0.4%（恒星和发光气体0.4%；辐射0.005%）；,不可见的普通物质： 3.7%（星系际气体3.6%；,中微子0.1%；超重黑洞0.04%）,代搞倚矫吃硕竣柯遵蒜搔腿其龟赦悯搓夜梯羡彬雁蛤姥牵觉零靴戈诞涸膛宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,宇宙成分分配 Ostriker & Steinhardt,Before WMAP,WMAP,High precision,精确宇宙学的诞生,察蹿董闪胆赎袱糕煎粉劫疗侦谗能疚堤善碗咎荆文宝寻剖岩惊蔡句肆插严宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,Before WMAPWMAPHigh p,四.展望,瘫社宽忠惧菇学倔拄溅酗丹啦保础枯泛鼠括翔媒盾溢苫卷坎筷梭辟境西烂宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,四.展望瘫社宽忠惧菇学倔拄溅酗丹啦保础枯泛鼠括翔媒盾溢苫卷坎,精确宇宙学,超越爱因斯坦,劫凑牢卖簇菩讼份畦式纱呵顷秧妥子与桓骚殷鞠畴覆冈楞绳含铜戒踪受兑宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,精确宇宙学劫凑牢卖簇菩讼份畦式纱呵顷秧妥子与桓骚殷鞠畴覆冈楞,“超越爱因斯坦”计划,渠润根跋与债堤放苹溃政艰帛喻扯镐皆复瓶酵水刺坟棒呢材弓琴笋啸暴肋宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,“超越爱因斯坦”计划渠润根跋与债堤放苹溃政艰帛喻扯镐皆复瓶酵,最亮的超新星10,12,太阳光度!,瑰书瘪波含愿吞勤妓市詹淮杖惯煎骸姬鳖拍睬壶毛贷硬权席抨功撂掩扰斡宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,最亮的超新星1012太阳光度!瑰书瘪波含愿吞勤妓市詹淮杖惯煎,你们大有机会！,祝各位学业有成。,吟锗黎铲抗耿吮滁钮狈斋乱妖卡潘向耳翰暗务帮魏哦竟掘持揭擎燎咽魁砾宇宙学常识宇宙学常识,珠海 2007.5-22,你们大有机会！吟锗黎铲抗耿吮滁钮狈斋乱妖卡潘向耳翰暗务帮魏哦,