宇宙學(xué)專題講座

1、宇宙學(xué)專題講座 馬文章 北京師范大學(xué) 天文學(xué)教授 .c宇宙加速膨脹的原委 -2011年諾貝爾物理學(xué)獎項解析1、從哈勃定律說起2、膨脹的宇宙與大爆炸宇宙模型3、宇宙中的物質(zhì)質(zhì)量決定著宇宙的未來4、意外發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹 5、宇宙加速膨脹與暗能量6、宇宙加速膨脹與宇宙的未來7、對宇宙加速膨脹的新思考 宇宙學(xué)中的幾個概念宇宙：空間和時間的總稱。 我國古代戰(zhàn)國時期的天文學(xué)，就有“四方上下曰宇，古往今來曰宙”的說法。宇宙學(xué)：是天文學(xué)將宇宙作為整體加以研究的一門科學(xué)；宇宙學(xué)是天文學(xué)下屬的二級學(xué)科天體物理學(xué)的一個分支學(xué)科； 宇宙學(xué)研究的內(nèi)容：研究宇宙整體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動以及演化規(guī)律。現(xiàn)代

2、宇宙學(xué)： 建立在現(xiàn)代天文學(xué)（即全波段觀測）的觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,以現(xiàn)代物理學(xué)（廣義相對論等）的理論，研究宇宙整體的運(yùn)動、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及演化。宇宙學(xué)原理 ：在宇宙中沒有一個方向或地方與其他方向或地方相區(qū)別,空間有同樣的性質(zhì),即宇宙的大尺度特征相同。該原理建筑現(xiàn)代天文觀測基礎(chǔ)上。一、從哈勃定律說起1、河外星系紅移的發(fā)現(xiàn) 1929年,美國天文學(xué)家哈勃研究河外星系光譜觀測資料時，發(fā)現(xiàn)河外星系譜線都有紅移現(xiàn)象。說明河外星系遠(yuǎn)離我們而去，而且遠(yuǎn)離的速度和距離成正比。 河外星系光譜線紅移揭示了：我們觀測到的宇宙在膨脹，即星系隨著宇宙的膨脹而相互遠(yuǎn)離,越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離的速度越快。 宇宙中像銀河系這樣的星系約有500億個

3、,光譜觀測發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)都存在譜線紅移現(xiàn)象,即絕大多數(shù)河外星系都遠(yuǎn)離我們而去。天文觀測事實揭示了宇宙在膨脹。2、哈勃定律的建立 哈勃根據(jù)星系的距離和退行速度資料。 經(jīng)作圖發(fā)現(xiàn)二者呈線性關(guān)系，即星系退行速度與距離有明顯的正相關(guān)。 距離越遠(yuǎn)的河外星系遠(yuǎn)離的速度越大。這就是哈勃定律退行速度 = H X H ： 哈勃常數(shù) ：距離二、膨脹的宇宙與大爆炸宇宙模型1 、宇宙的開端 基于星系光譜線紅移和哈勃定律,天文學(xué)家普遍認(rèn)為宇宙在膨脹。宇宙膨脹是天文觀測觀測事實。 那么進(jìn)一步倒推將會得到,過去的某一時刻宇宙中的物質(zhì)都將聚集在一起,密度趨于無窮大,這可能就是宇宙的開端。 2 、基于宇宙膨脹的大爆炸宇宙模型 1

4、948年,俄裔美籍天文學(xué)家伽莫夫根據(jù)宇宙在小尺度上物質(zhì)分布不均勻性；在大尺度(一億光年以上)上物質(zhì)分布趨于均勻以及天體間引力作用的事實。 伽莫夫提出：宇宙起源于超高溫、超高密狀態(tài)下的原始火球。3 、伽莫夫大爆炸宇宙模型的基本要點(diǎn)1）、爆炸原因：伽莫夫認(rèn)為，在原始火球內(nèi)充滿基本粒子,是由于基本粒子相互作用原始火球發(fā)生爆炸。2）、爆炸形式：原始火球爆炸是向四面八方均勻地膨脹, 隨著膨脹物質(zhì)間距離增加。3）、恒星的形成：恒星及一切實體是隨著宇宙膨脹和溫度降低過程中形成的。宇宙溫度降低各種粒子才逐步形成恒星和星系,直至演化到今天的宇宙。 因此，宇宙演化的各個時期圖像應(yīng)是完全不同的。4）、微波背景輻射：

5、大爆炸理論預(yù)言:宇宙演化到今天,應(yīng)有4k10k宇宙背景輻射存在。 5）、輕元素的豐度：現(xiàn)今宇宙空間存在的大量氫和2530%的氦,應(yīng)是宇宙早期的產(chǎn)物。大爆炸宇宙演化進(jìn)程的示意圖宇宙微波背景輻射 根據(jù)大爆炸宇宙的進(jìn)程，今天測得的微波背景輻射是宇宙在3070萬年時，由40003000度高溫等離子體狀態(tài)，轉(zhuǎn)化為中性氣體并開始出現(xiàn)穩(wěn)定的氫、氦的原子時期，標(biāo)志宇宙進(jìn)入復(fù)合時代。 這時的宇宙，從以能量為主的時期轉(zhuǎn)變成以物質(zhì)為主的時期,在宇宙空間光子可以自由穿行。 宇宙最早出現(xiàn)的輻射遺存下來的余輝，就是現(xiàn)在溫度只有約2.725K的宇宙背景輻射。 宇宙微波背景輻射，符合溫度為2.7K絕對黑體的普朗克分布曲線。4

6、、大爆炸宇宙模型能解釋那些觀測事實 1 ）、大爆炸理論認(rèn)為：所有恒星都是在宇宙溫度下降后產(chǎn)生的，任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度下降至靜態(tài)這一時間段要短，即應(yīng)小于200億年。 目前,各種天體年齡測量結(jié)果,證明了這一點(diǎn)即天體年齡均小于200億年。 2 ） 、由觀測得到的各類天體氦的豐度約占25%,但恒星熱核反應(yīng)理論不能解釋會有如此高的氦產(chǎn)生。 大爆炸宇宙理論認(rèn)為,早期溫度高產(chǎn)生氦的效率也高,會有2530%的氦產(chǎn)生。 3 ）、觀測到宇宙微波背景3k輻射，是宇宙在3070萬年時，宇宙最早出現(xiàn)的輻射遺存下來的余輝。 這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)有力地支持大爆炸宇宙模型。 今天測得的微波背景輻射是宇宙在3070萬年時,宇宙進(jìn)入

7、復(fù)合時代。即以能量為主的時期轉(zhuǎn)變成以物質(zhì)為主的時期,在宇宙空間光子可以自由穿行。 宇宙最早出現(xiàn)的輻射遺存下來的余輝，就是現(xiàn)在溫度只有約2.725K的宇宙背景輻射。4 ）、觀測到的河外星系光譜線紅移，是由于宇宙正在膨脹形成的；是天體運(yùn)動速度產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)。光譜線紅移說明天體在遠(yuǎn)離我們而去。三、宇宙中的物質(zhì)決定著宇宙的未來1、宇宙未來可能的三種命運(yùn)1）、宇宙的臨界密度m 宇宙臨界狀態(tài)：宇宙膨脹所具有的退行運(yùn)動速度 ，等于宇宙中的物質(zhì)質(zhì)量所決定的逃逸速度時,稱為宇宙臨界狀態(tài)。臨界密度m ：宇宙臨界狀態(tài)所具有的物質(zhì)密度,就是宇宙的臨界密度m 。 根據(jù)廣義相對論導(dǎo)出的宇宙臨界密度公式,當(dāng)取哈勃常數(shù) =

8、70.51.3 時, 宇宙臨界密度:=0.933109克/厘米2）、宇宙未來的三種狀態(tài) A、閉合式閉合式：宇宙所具有的平均密度m大于宇宙臨界密度m 時，宇宙將是閉合式。 宇宙由于自身引力作用,膨脹一定程度后，不再膨脹轉(zhuǎn)而逐步收縮。宇宙收縮過程中，溫度升高,物質(zhì)不斷碰撞合并，最終又回到原來狀態(tài)。 B、平直式平直式：宇宙所具有的平均密度m等于宇宙臨界密度m 時，宇宙是平值式。 宇宙暴脹后膨脹逐步減慢，宇宙呈反復(fù)膨脹、收縮,永無休止?fàn)顟B(tài)。 C、開放式、開放式：宇宙所具有的平均密度m小于宇宙臨界密度m 時，宇宙是開放式。 宇宙一直膨脹下去最后耗盡物質(zhì)，變成黑暗的世界。 宇宙未來的命運(yùn)-到底是開放式宇宙

9、,還是閉合式宇宙取決于宇宙的平均密度m 。 按照目前的天文觀測結(jié)果,宇宙中可見物質(zhì)的平均密度m是比較低的,照此宇宙將一直膨脹下去。 但是，宇宙中暗物質(zhì)的存在將會使宇宙平均密度大大地提高,尋找暗物質(zhì)就成為現(xiàn)代宇宙學(xué)研究中的一個非常重要領(lǐng)域。 目前,天文學(xué)觀測已經(jīng)顯示有暗物質(zhì)存在,但暗物質(zhì)的質(zhì)量有多少,還有待進(jìn)一步觀測與研究。 因為它關(guān)系到宇宙的未來。尋找暗物質(zhì)的空間分布和質(zhì)量，是21世紀(jì)天文學(xué)待解決的重要領(lǐng)域之一。 2009年出版的公布的宇宙學(xué)重要參數(shù) ,是使用2001年美國發(fā)射的宇宙微波各向異性探測器(WMAP)五年觀測成果和美國大學(xué)天文聯(lián)盟主持的斯隆數(shù)字巡天(SDSS)觀測結(jié)果以及Ia型超新

10、星觀測結(jié)果得到的。 這是一組最新的宇宙學(xué)基本數(shù)據(jù): 宇宙年齡t ：137.21.2億年 哈勃常數(shù)H。 ：70.51.3km/S.百萬秒差距 亮物質(zhì)密度。： 0.04560.0015 暗物質(zhì)密度 ： 0.2280.013 暗能量密度： 0.7260.015 從以上數(shù)據(jù)可見：宇宙平均密度只有27.36%,其中：亮物質(zhì)只有4.56%、暗物質(zhì)卻占22.8%、暗能量占72.6%。3）、暗物質(zhì)與暗物質(zhì)的觀測證據(jù)什么是暗物質(zhì)？ 人類現(xiàn)有的觀測能力：包括光學(xué)、射電、紅外、紫外等全波段觀測手段和方法，都無法能觀測到的物質(zhì)，統(tǒng)稱為暗物質(zhì)。 暗物質(zhì)是目前還無法解釋的物質(zhì)。 既然暗物質(zhì)觀測不到、又無法解釋，為什么還說

11、宇宙空間存在暗物質(zhì)，目前都有哪些觀測證據(jù)？暗物質(zhì)觀測證據(jù)A、引力質(zhì)量總是比光度質(zhì)量大得多，這就是暗物質(zhì)存在的天文觀測證據(jù)之一B、銀河系較差轉(zhuǎn)動曲線-觀測值與理論值不符虛線部分是按開普勒運(yùn)動定律算出速度曲線,它滿足速度與距離r成反比C、河外星系較差轉(zhuǎn)動曲線-觀測值與理論值不符D、宇宙空洞E、暗物質(zhì)在空間可能的分布 美國貝爾實驗室的科學(xué)家提出一種可以給暗物質(zhì)結(jié)構(gòu)畫像的方法，稱為“引力透鏡質(zhì)量分布繪圖術(shù)?！?）、暗物質(zhì)與亮物質(zhì) 暗物質(zhì) 人類現(xiàn)有的觀測能力：包括光學(xué)、射電、紅外、紫外等，即全波段天文觀測手段和方法，都無法能觀測到的物質(zhì)，統(tǒng)稱為暗物質(zhì)。 亮物質(zhì) 人類現(xiàn)有的觀測能力：包括光學(xué)、射電、紅外、

12、紫外等，即全波段天文觀測手段和方法，能觀測到的物質(zhì)總稱為亮物質(zhì) 。 暗物質(zhì) 雖然用現(xiàn)有的輻射接收手段觀測不到它,但暗物質(zhì)和亮物質(zhì)一樣都具有引力，而且在空間成團(tuán)的分布,并造成時空彎曲。 尋找暗物質(zhì)在空間的分布以及暗物質(zhì)所具有的質(zhì)量，仍然是21世紀(jì)天文學(xué)待解決問題之一。四、意外發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹 珀爾馬特里斯里斯施密特施密特Ia型超新星圖像 1 ）、 超新星是典型的災(zāi)變變星,是大質(zhì)量恒星在死亡之前都要經(jīng)歷的一次頗為壯觀的爆炸過程。 超新星按光度變化曲線形狀分為I 型與II 型超新星。 1、超新星與Ia型超新星 I 型超新星與II 型超新星除了光變曲線形狀不同外，最主要的區(qū)別是在超新星的光譜中有、無

13、氫線。 I 型超新星光譜中沒有氫線，II 型超新星光譜中有氫線。I型超新星又分為Ia型和Ib型。 2 ）、Ia型超新星-是含碳、氧的白矮星爆炸后的產(chǎn)物 它是一顆質(zhì)量小于錢德拉塞卡質(zhì)量極限，即小于1.4太陽質(zhì)量的白矮星。由于吸積它的伴星或與它構(gòu)成雙星系統(tǒng)或聚星系統(tǒng)的恒星的物質(zhì),質(zhì)量不斷增大。 當(dāng)這顆白矮星質(zhì)量增大到超過錢德拉塞卡白矮星質(zhì)量上限時即1.4太陽質(zhì)量時。這顆白矮星將發(fā)生爆炸形成超新星爆發(fā)。 由于這類超新星爆炸前的質(zhì)量都差不多，都是在將超過1.4個太陽質(zhì)量時爆發(fā)，爆發(fā)時的規(guī)模和釋放出來的輻射能量也都差不多，即光度值L應(yīng)相同。 理論上，只要精確知道一顆Ia型超新星的距離r 和視星等m, 由

14、下面公式： M = m + 5 - 5r 就可求得到 Ia型超新星絕對星等M 人們認(rèn)為：所有Ia型超新星的絕對星等應(yīng)當(dāng)相等。 再通過觀測得到其它Ia型超新星的視星等m值， 可由下面公式： M = m + 5 - 5r 就可求得到距離 r 。 據(jù)此，看到的比較亮的Ia型超新星離我們比較近； 看到的比較暗的Ia型超新星應(yīng)該離我們比較遠(yuǎn)。3 ）、宇宙中新的標(biāo)準(zhǔn)燭光 天文學(xué)將Ia型超新星當(dāng)作一個新 標(biāo)準(zhǔn)燭光,再根據(jù)被測河外星系的視星等m，就可以判斷Ia型超新星所在河外星系離我們的距離r。 根據(jù)Ia型超新星所在的河外星系的光譜觀測的紅移質(zhì)料，得到的光譜線的紅移量Z，就可求得Ia型超新星所在河外星系的退行

15、速度。 = C Z 1998年兩個獨(dú)立研究團(tuán)隊，利用幾十顆遙遠(yuǎn)星系里的Ia型超新星，求得的退行速度不在與距離成正比即不滿足哈勃定律。Ia型超新星的退行速度比通常的正比速度減慢了，而且距離越遠(yuǎn)減慢的速度越多。 2、宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn) 兩個獨(dú)立研究團(tuán)隊使用的高紅移和低紅移Ia型超新星資料，均來自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡高精度觀測數(shù)據(jù)。 最初，兩個團(tuán)隊以為會發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在減速的跡象。這個想法，是基于引力作用的考慮。 天體之間的作用力是引力。宇宙中的星系之間也應(yīng)該相互吸引。因此，即使由于大爆炸造成宇宙是膨脹的。但在引力作用下，宇宙膨脹應(yīng)該逐步減速下來。直到有一天宇宙由膨脹轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s，這才合乎現(xiàn)有的物理規(guī)律。

16、但隨著研究的深入，高紅移和低紅移 Ia型超新星資料，給出的宇宙膨脹是在加速而不是減速。 這樣結(jié)果完全出乎他們的意料，并懷疑自己所用的資料有問題。最后，經(jīng)過反復(fù)檢查，兩個團(tuán)隊幾乎同時公布他們自己的觀測與研究的結(jié)果。 1998年9月，珀爾馬特領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊發(fā)表了，采用42顆高紅移和18顆低紅移Ia型超新星，得出宇宙在加速膨脹的結(jié)論。 1998年3月，另一個由施密特領(lǐng)導(dǎo)和以里斯為骨干的獨(dú)立研究團(tuán)隊，采用16顆高紅移和34顆低紅移Ia型超新星資料，同樣得出宇宙加速膨脹的結(jié)果并率先肯定了宇宙在加速膨脹。 宇宙加速膨脹的觀測結(jié)果，使得天文學(xué)家堅信，在宇宙中必有使天體相互排斥的“力”-這就是暗能量 。 天文學(xué)家

17、從1990年開始，通過Ia型超新星驗證哈勃公式：即距離與退行速度成正比關(guān)系。 哈勃定律建立和哈勃常數(shù)精確主要是依據(jù)地面和空間所測的造父變星確定的距離。 1998年兩個獨(dú)立研究團(tuán)隊，利用幾十顆遙遠(yuǎn)星系里的Ia型超新星，求得的退行速度不在與距離成正比即不滿足哈勃定律。 Ia型超新星的退行速度比通常的正比速度減慢了，而且距離越遠(yuǎn)減慢的速度越多。 說明宇宙更深層（更古老的宇宙空間）的退行速度比現(xiàn)代宇宙空間退行速度慢，表明宇宙在加速膨脹。五、宇宙加速膨脹與暗能量 瑞典皇家科學(xué)院在頒獎聲明中說： 這三位科學(xué)家對超新星的觀測證明，宇宙在加速膨脹、變冷，這一發(fā)現(xiàn)“震動了宇宙學(xué)的基礎(chǔ)” 。 1、 2011年諾貝

18、爾物理學(xué)獎的公布和頒發(fā)，將意味著物理學(xué)界正式承認(rèn)并接納“暗能量”為物理學(xué)中的一個基本概念，同時也就意味著：物理學(xué)界正式承認(rèn)并接納宇宙之中存在著一種與引力作用方向相反、 至今還沒被人類發(fā)現(xiàn)的未知力量這一事實。 2、這一發(fā)現(xiàn)不僅改變?nèi)藗儗τ钪娴难莼泛臀磥碛钪婷\(yùn)的看法；而且是什么力量在觸使宇宙加速膨脹，對現(xiàn)代宇宙學(xué)提出了最深刻地挑戰(zhàn)！ 3、暗能量是什么？ 首先暗能量不同于暗物質(zhì)。 暗物質(zhì)雖然用現(xiàn)有的輻射接收手段觀測不到它,但暗物質(zhì)和亮物質(zhì)一樣都有引力，而且暗物質(zhì)是成團(tuán)分布,按暗物質(zhì)可以造成時空彎曲。 人類可以觀測到暗物質(zhì)在空間可能的分布，雖然我們還不能確切知道在空間分布和質(zhì)量。 暗能量則不同，它不僅用現(xiàn)有的輻射接收手段觀測不到。 而且，理論上暗能量是均勻的、不成團(tuán)的、在空間是分散均勻的分布。 理論上它沒有引力、卻存在著斥力。它對時空彎曲的效應(yīng)是一種排斥效應(yīng),會使宇宙膨脹加速。 六、宇宙加速膨脹與宇宙的未來人類對宇宙未來命運(yùn)開始擔(dān)憂 ??？七、對宇宙加速膨脹的新思考 宇宙加速膨脹被Ia型超新星觀測資料證實后，引起科學(xué)界諸多的新思考。 1、宇宙加速膨脹為暗能量的存在提供了有力的觀測證據(jù)。理論上認(rèn)為暗能量在宇宙空間是均勻分布，它與引力作用相反、起斥力作用。 思考之一：從Ia超新星觀測導(dǎo)出宇宙加速膨脹暗能量存在應(yīng)是上述