宇宙大爆炸和宇宙暗能量(簡1)分解課件

1、宇宙大爆炸彭秋和(南京大學(xué)天文系)太陽系木星土星天王星海王星水星金星地球火星類地行星類木行星日地距離 (1 AU天文單位)L 1.51013 厘米 = 1.5 億公里T 3.1107 秒 (1年)地球L離我們最近的恒星L 31018 厘米 4.3 光年 2.7 105 天文單位(AU)LCentauri Proxima(半人馬座)比鄰星銀河系我們?cè)诖?.6 kpc 2.8 x 104 ly10 25 厘米幾千個(gè)星系星系集團(tuán) (Hercules)最遙遠(yuǎn)的星系L 1026 厘米TL 31015 sLSource: Hubble Space Telescope web page (Courtesy

2、NASA) 宇宙大尺度結(jié)構(gòu)(bubbles 200 Mly across)可見宇宙的大小L 1028 厘米TL 31017 s 1010 yrSource: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA) Hubble 距離宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)Hubble的發(fā)現(xiàn) 宇宙膨脹光譜線的Doppler位移:光源接近我們時(shí)，光譜線向蘭端位移(蘭移)(光波波長變短)光源遠(yuǎn)離我們時(shí)，光譜線向紅端位移(蘭移)(光波波長變長)V:光源相對(duì)于我們的速度(遠(yuǎn)離為正, 接近為負(fù)); c:光速 在1924年Hubble觀測(cè)發(fā)現(xiàn)河外星系以后,他開始研究河外星系的光譜。他驚奇地發(fā)現(xiàn)

3、:除了最近的少數(shù)幾個(gè)河外星系外，幾乎所有較遙遠(yuǎn)的河外星系的光譜線全部都呈現(xiàn)向紅端位移的現(xiàn)象，而且，距離愈遙遠(yuǎn)的星系，譜線紅移量(z)愈大，幾乎與它們的距離成正比。所有遙遠(yuǎn)的河外星系的光譜線全部都在遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)，而且距離愈遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離速度愈快。 宇宙正在膨脹 (Lematire, 1927)H: Hubble常數(shù)物理本質(zhì) 宇宙學(xué)紅移光子的波長隨著宇宙的膨脹在同步膨脹。如何看待宇宙學(xué)紅移與Doppler紅移？宇宙學(xué)紅移是不是Doppler紅移?引力紅移引力紅移Einstein的靜態(tài)宇宙模型1915年Einstein建立廣義相對(duì)論物質(zhì)引力時(shí)空彎曲1917年，Einstein將廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程應(yīng)

4、用于宇宙的結(jié)構(gòu)。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，表明宇宙要么在膨脹或者要么在收縮。為求出引力場(chǎng)方程的均勻的和各向同性的靜態(tài)解， Einstein加入一個(gè)起斥力作用“宇宙常數(shù)”項(xiàng),得到一個(gè)靜態(tài)宇宙模型。1922年，俄國數(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)自引力或密度的大小?！拔疫@一生最大的錯(cuò)誤就是錯(cuò)誤地引進(jìn)了宇宙常數(shù)項(xiàng)”(Einstein) 21世紀(jì)初天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹, Einstein 的宇宙常數(shù)項(xiàng) 成了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的中心環(huán)節(jié) 宇宙

5、暗能量的研究 (2002年以來)Lemaitre的原始原子理論1927年，比利時(shí)傳教士和天文學(xué)家G. Lematire重新得到Einstein引力場(chǎng)方程的Friedman解。Lematire指出哈勃觀測(cè)到的宇宙膨脹現(xiàn)象正是Einstein引力場(chǎng)方程所預(yù)言的。因此，過去的宇宙必定比今天的宇宙占有較小的空間的尺度、物質(zhì)更有序。最理想的有序狀態(tài)莫過于整個(gè)宇宙的物質(zhì)包含在一個(gè)原子里。因此、宇宙有一個(gè)起始之點(diǎn)，稱為“原始原子”。Abbe George LeMaitreThe father of the Big Bang cosmologyHubbles 1929 dataDistance (Mpc)Ve

6、locity (km/sec) 宇宙的年齡是有限的，它有一個(gè)起點(diǎn)。 星系退行速度和星系距離成正比 所有的天體在遠(yuǎn)離我們而去， 宇宙在膨脹。1929年，哈勃僅用24個(gè)星系的觀測(cè)資料，做出了距離與視向速度的關(guān)系圖。Hubble定律假設(shè)宇宙勻速膨脹（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 （ H0 65 km/s/Mpc ）宇宙熱大爆炸理論及其殘存的宇宙熱(微波)背景輻射Gamow 的宇宙熱大爆炸模型Hubble 定律告訴我們，我們所處的宇宙正在膨脹說明宇宙早期是高溫、高密的狀態(tài)1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源于約150

7、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 。George Gamov“- - ”理論能解釋氘和氦的形成它最初主要觀念是:宇宙(包括地球、行星、太陽、恒星和星際物質(zhì))的所有較重的化學(xué)元素起源于宇宙熱大爆炸時(shí)代核合成的過程。 主要目標(biāo)是錯(cuò)誤的。但宇宙熱大爆炸模型是輝煌不朽的。宇宙膨脹物理規(guī)律同模(均勻)膨脹規(guī)律:單位體積輻射能： 單位體積物質(zhì)靜止能: 宇宙半徑(或任兩點(diǎn)間距離)隨時(shí)間膨脹: (當(dāng) t 增長) (當(dāng) t 增加長)宇宙極早期, 物質(zhì)處于高溫、高密度狀態(tài) 宇宙熱大爆炸 物質(zhì)為主與輻射為主的宇

8、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 M (0.3-0.4) c = (0.3-0.4) 10 -29 g cm-3 R T TR4 / c2 = 4.810 -34 g cm-3 目前的宇宙是物質(zhì)主導(dǎo)的 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。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(shí)期的分界約在宇宙年齡為幾千年左右。物質(zhì)密度隨紅移的演化關(guān)系為現(xiàn)在時(shí)刻宇宙的臨界密度為（取k、為零時(shí)）為討論方便通常引入密度參量Friedmanns equation顯然可以改寫為宇宙微波背景輻射

9、的理論預(yù)言(1948)Gamow 的宇宙熱大爆炸學(xué)說曾預(yù)言:宇宙大爆炸后，早期宇宙產(chǎn)生的熱輻射經(jīng)宇宙膨脹后遺留下 5 K 的微波背景輻射。 遺憾:當(dāng)時(shí)未引起物理學(xué)家和天文學(xué)家的重視與承認(rèn)。原因: 1)Gamow學(xué)說的重點(diǎn)在于宇宙中所有較重的化學(xué)元素主要起源于 宇宙熱大爆炸。后來的研究表明：這是錯(cuò)誤的。 2)理論學(xué)家和實(shí)驗(yàn)家(天文觀測(cè)學(xué)家)互不了解、互不溝通信息。 3) 宇宙早期理論當(dāng)時(shí)被當(dāng)作天方夜談式的幻想!天文光譜學(xué)觀測(cè)的早期發(fā)現(xiàn)(1941)蛇夫座星3875 吸收線(星際 CN分子吸收線)的觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn):它實(shí)際上為幾條光譜線。譜線R(0)為從基態(tài)向高 能級(jí)的躍遷P(1)、R(1) 兩條譜線對(duì)

10、應(yīng)于從分子的第一激發(fā)態(tài)向高能級(jí)的躍遷分子振動(dòng)能級(jí)躍遷分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷0.132cm0.264cm0.066cmR(0)P(1)R(1)R(2)J=3J=2J=1J=0J=3J=2J=1J=03873.369 3873.998 3875.763 3874.603 推論如果星際空間背景為0 K, 則CN分子只能處于基態(tài)。而P(1)、R(1)譜線的存在表明有一定數(shù)量的分子處于第一激發(fā)態(tài)。這是由于受到相當(dāng)于2.3 K的輻射的激發(fā) 2.3 K的輻射(黑體輻射)對(duì)應(yīng)于光波波長為0.624cm微波波區(qū)這表明星際空間可能充滿了2.3 K的背景輻射。遺憾: 當(dāng)時(shí)的天文觀測(cè)者對(duì)膨脹宇宙學(xué)毫無了解。他們并未作出宇宙

11、學(xué)的結(jié)論。宇宙微波背景輻射宇宙大爆炸理論的觀測(cè)檢驗(yàn)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10 K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3.5 K、各向同性的 黑體輻射。它被證實(shí)為宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background)1978 Nobel Prize winners宇宙微波背景特點(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

12、度各向同性（為宇宙學(xué)原理提供了強(qiáng)有力的支持） COBE觀測(cè)結(jié)果，微波背景的輻射溫度為 2.7280.004 K WMAP觀測(cè)結(jié)果為 2.7250.002 K宇宙暗物質(zhì)問題暗物質(zhì)?星系團(tuán)的質(zhì)量動(dòng)力學(xué)質(zhì)量:動(dòng)力學(xué)平衡:離心力= (牛頓)引力光度質(zhì)量:天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn): (1940s)對(duì)星系團(tuán):矛盾: 丟失的質(zhì)量 Missing mass 暗物質(zhì)宇宙的物質(zhì)組成及含量 銀河系以及其它旋渦星系的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)存在平直旋轉(zhuǎn)曲線（延伸到發(fā)光區(qū)以外很遠(yuǎn)的地方），這表明星系內(nèi)部存在有巨大的、由暗物質(zhì)組成的暈。 對(duì)星族 II 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)示蹤以及為解釋麥哲倫流的形態(tài)及動(dòng)力學(xué)，均表明銀河系90%以上的質(zhì)量由暗物質(zhì)組成。大、小

13、麥哲倫云有一個(gè)共同的中性H包層，并向銀河系延伸形成麥哲倫流。 在星系組成的系統(tǒng)中的暗物質(zhì)主要是通過分析本星系群內(nèi)部成員星系的時(shí)變性；研究雙星系以及星系群內(nèi)成員星系的動(dòng)力學(xué)特征；以及星系團(tuán)內(nèi)部熱氣體的X-射線輻射等。為了束縛熱氣體，星系團(tuán)內(nèi)必定包含大量暗物質(zhì)星系A(chǔ)bell 2390（上）和MS2137.3-2353 （下）的X射線（右）與光學(xué)（左）像。氣體與恒星的質(zhì)量僅為束縛氣體所需質(zhì)量的13% 暗物質(zhì)的組成(What is the nature of Dark Matter?)觀測(cè)表明：visible matter 0.01 baryons 0.04 dark matter 0.3BBN +

14、CMB重子暗物質(zhì)(a) 低光度恒星和恒星演化的殘存天體(b) 固體小天體(c) 中性和離子化氣體(d) 大質(zhì)量黑洞非重子暗物質(zhì)Massive neutrinoWIMPsAxionsNeutralinos新物理修正了的引力模型引力透鏡俘獲或觀測(cè)湮滅譜線 按照退偶時(shí)粒子的能量與其靜止質(zhì)量相比較，天文學(xué)家把假想的暗物質(zhì)候選體分為三大類：熱暗物質(zhì) (HDM)：如中微子，粒子質(zhì)量很小，速度接近光速的粒子。 溫暗物質(zhì) (WDM)： 冷暗物質(zhì) (CDM)：如axion(?)，photino，粒子質(zhì)量較大、速度較慢。 暗物質(zhì)很可能同時(shí)包括熱暗物質(zhì)和冷暗物質(zhì)重子暗物質(zhì)非重子暗物質(zhì)暗能量此外，觀測(cè)以及理論表明：v

15、isible matter 0.01 baryons 0.04 dark matter 0.3 T 1 BBN + CMBInflationMissing energy component ！利用SNIa 的觀測(cè)確定遙遠(yuǎn)宇宙的距離超新星分類1. 核心坍縮型超新星(SNII、SNIb,、SNIc)2. 吸積白矮星的熱核爆炸型超新星(SNIa)Ia 型超新星 (SNIa )爆發(fā)原因當(dāng)吸積白矮星質(zhì)量超過極限質(zhì)量(Chandrasekhar 質(zhì)量):廣義相對(duì)論效應(yīng)(引力明顯超過牛頓引力)引起吸積白矮星坍縮。在白矮星坍縮過程中，密度、溫度急劇上升。當(dāng)溫度上升到2108K以上時(shí)，點(diǎn)燃爆炸性的C燃燒，導(dǎo)致熱

16、核爆炸型超新星。即導(dǎo)致SNIa 爆發(fā)的主要因素是廣義相對(duì)論效應(yīng)。整個(gè)星體熱核爆炸, 全部炸光。中心不遺留致密殘骸。爆炸拋射物( 104 公里/秒)向外擴(kuò)張逐漸形成星云狀的超新星遺跡。宇宙學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)燭光 SNIa SNIa 各個(gè)SNIa 光極大時(shí)的光度幾乎相同，可以當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)燭光。 視亮度=光度(真亮度)/D2由天文（測(cè)光）觀測(cè)可以測(cè)定SNIa 光極大時(shí)的視亮度(視星等)測(cè)定極遙遠(yuǎn)星系的距離SN Ia 探測(cè)的宇宙學(xué)意義SN Ia 光變曲線的重要特征:幾乎所有的SN Ia 光變曲線形狀以及光譜都非常相似觀測(cè)發(fā)現(xiàn)所有的SN Ia在光極大時(shí)的絕對(duì)星等都相近:標(biāo)準(zhǔn)燭光 M絕對(duì)星等 - 20m ; M絕對(duì)星

17、等 = -2.5 log10 L 即, 所有的SN Ia在光極大時(shí)的光度(L)都幾乎相等。原因:所有的SN Ia 都是當(dāng)吸積白矮星的質(zhì)量增長Chandrasekhar臨界質(zhì)量 Mch= 5.86Ye2 M條件下呈現(xiàn)爆發(fā)。引力束縛能相同。反映了它們爆炸時(shí)熱核燃燒性質(zhì)及爆燃(爆轟)波傳播性質(zhì)相近。SN Ia 距離的確定 M絕對(duì)星等 = m + 5 log D(pc) A + K A: 星際消光使視星等變暗; K:星系紅移引起的視亮度變化從SN Ia 視亮度(視星等)的測(cè)量可以確定它的寄主星系的距離(D)?？梢愿鼫?zhǔn)確地確定遙遠(yuǎn) 星系紅移 距離關(guān)系。Ia型超新星宇宙學(xué)的歷史Phillips (1993

18、)觀測(cè)研究提出了Ia型超新星的標(biāo)準(zhǔn)燭光關(guān)系m15 是SNIa 光極大后15天內(nèi)亮度下降的幅度。a和b是兩個(gè)參數(shù)，由低紅移的超新星定出。這就是超新星中的內(nèi)稟關(guān)系。(理論上并未證明)。 利用這個(gè)關(guān)系,Riess et al. (1998)和Perlmutter et al. (1999)發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹，表明宇宙的大量能量以暗能量的形式存在宇宙暗能量M+ k+ = 1,平直空間, k=0, k =0 M+ = 1SN Ia 探測(cè) 0.7 , M 0.3“可見物質(zhì)”(正常粒子) / 暗物質(zhì)(冷暗物質(zhì)) 15 30 % 宇宙以暗能量為主! 暗能量是?首先用4m望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)超新星，立即用Keck的10m反射望遠(yuǎn)鏡精細(xì)觀測(cè)并拍攝它的光譜?？梢园l(fā)現(xiàn)和精細(xì)觀測(cè)非常遙遠(yuǎn)(Z= 0.3 2.0)星系中爆發(fā)的SNIa, 由上述方法校準(zhǔn)光度并測(cè)定距離后，就可以測(cè)定宇宙膨脹的減速因子(q0)和宇宙常數(shù)。2001-2002年, 美國幾個(gè)特大型地面望遠(yuǎn)鏡對(duì)30多個(gè)SN Ia (在光極大前開始)進(jìn)行探測(cè)，測(cè)定它們的距離，發(fā)現(xiàn)目前宇宙正處于加速膨脹階段。宇宙暗能量核天體物理學(xué)同(理論與實(shí)驗(yàn))核物理學(xué)(包括粒子物理