暗物質(zhì)與暗能量課件

暗物質(zhì)與暗能量暗物質(zhì)與暗能量Date2陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Date2陸埮中科院紫金山天文臺(tái)人的尺度在粒子與宇宙中間Date3陸埮中科院紫金山天文臺(tái)人的尺度在粒子與宇宙中間Date3陸埮中科院紫大尺度觀測事實(shí)可見物質(zhì)的平均密度：

B～10-31g/cm3

有暗物質(zhì)，高1個(gè)量級(jí)微波背景輻射（黑體、各向同性）：

T=2.726K

nγ400(T/2.7K)3cm-3Hubble關(guān)系：

Z=(λ-λe)/λe=(H0/c)D

H0=100h0

km/(s.Mpc)h0

0.71±0.07重子-光子比：

η=nB/nγ～10-10輕核素豐度：

4He：0.22Y0.24D/H1.810-5

(D+3He)/H1.010-47Li/H(1.0-1.4)10-10宇宙年齡：

tgc=(1.5±0.4)1010年1/H0=(1.380.14)1010年Date4陸埮中科院紫金山天文臺(tái)大尺度觀測事實(shí)可見物質(zhì)的平均密度：重子-光子比：Da怎樣測量物質(zhì)?暗物質(zhì)Date5陸埮中科院紫金山天文臺(tái)怎樣測量物質(zhì)?暗物質(zhì)Date5陸埮中科院紫金山

光度方法質(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/cm3Date6陸埮中科院紫金山天文臺(tái)光度方法質(zhì)光關(guān)系：據(jù)光度定質(zhì)量B～10-力學(xué)方法用力學(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(jí)之差。測量范圍越大，差別越大存在暗物質(zhì)（可大1個(gè)量級(jí)）:

有引力，卻不發(fā)光Date7陸埮中科院紫金山天文臺(tái)力學(xué)方法Date7陸埮中科院紫金山天文臺(tái)VR-1/2(Kepler)VconstDate8陸埮中科院紫金山天文臺(tái)VR-1/2(Kepler)VconstDate8陸星系旋轉(zhuǎn)曲線曲線平坦部分遠(yuǎn)高于Kepler情形Date9陸埮中科院紫金山天文臺(tái)星系旋轉(zhuǎn)曲線曲線平坦部分遠(yuǎn)Date9陸埮中科院7spiralgalaxies.Theflatnessindicatesthepresenceofhugedarkhalos.(V.J.Martinez,astro-ph/0203377).巨大的暗暈：存在暗物質(zhì)Date10陸埮中科院紫金山天文臺(tái)7spiralgalaxies.Theflatnes暗物質(zhì)的性質(zhì)暗物質(zhì)不發(fā)光，卻有引力。宇宙中暗物質(zhì)比可見物質(zhì)多得多。暗物質(zhì)粒子的主要性質(zhì)：1）長壽命；2）主要是冷的（質(zhì)量大）；3）作用弱。主要暗物質(zhì)粒子不可能是普通物質(zhì)粒子。

“過盡千帆皆不是（溫庭筠

）”！可能候選者：Neutralino、Axion等。Date11陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗物質(zhì)的性質(zhì)暗物質(zhì)不發(fā)光，卻有引力。Date11陸埮暗物質(zhì)存在的其他證據(jù)宇宙結(jié)構(gòu)（恒星、星系）形成所需的物質(zhì)遠(yuǎn)多于宇宙核合成定出的重子物質(zhì)。如果沒有暗物質(zhì)，就沒有足夠的時(shí)間形成今天宇宙的結(jié)構(gòu)。有了暗物質(zhì)，就可以在復(fù)合期前在暗物質(zhì)中形成增長。CMB非各向同性的存在，10－5。······Date12陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗物質(zhì)存在的其他證據(jù)宇宙結(jié)構(gòu)（恒星、星系）形成所需怎樣測量宇宙年齡?宇宙年齡Date13陸埮中科院紫金山天文臺(tái)怎樣測量宇宙年齡?宇宙年齡Date13陸埮中科院宇宙年齡的下限?

宇宙年齡大于任何天體的年齡：

?地球年齡：放射性測量?太陽系年齡：?年齡最大的球狀星團(tuán)：

t=(1.5±0.4)1010年

為宇宙年齡下限D(zhuǎn)ate14陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙年齡的下限?宇宙年齡大于任何天體的年齡：Da宇宙年齡的上限如果宇宙是等速膨脹，則宇宙年齡：t＝1/H0（稱哈勃年齡）存在引力，宇宙減速膨脹，t<1/H0：哈勃年齡為宇宙年齡上限。Date15陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙年齡的上限如果宇宙是等速膨脹，則宇宙年齡：Dat哈勃年齡：1/H0真實(shí)年齡小于哈勃年齡Date16陸埮中科院紫金山天文臺(tái)哈勃年齡：1/H0Date16陸埮中科院紫金1929年，哈勃本人首次給出H0＝500（km

s-1Mpc-1）1936年，哈勃考慮到星際消光的影響，將哈勃常數(shù)改為H0=526,誤差15%。（由此給出的宇宙哈勃年齡很短，只有H0-1=1.84108年。）1956年，Humasion等人給出H0=180。1961年，Sandage等人給出H0=98±15。1970’s年，Sandage等人給出H0=50.3±4.3;

deVaculear等人給出H0=100±10。哈勃常數(shù)測定的變遷目前（2002）值：H0=(71±7)0.951.15

kms-1Mpc-1

1/H0=(1.38

0.14)1010年Date17陸埮中科院紫金山天文臺(tái)1929年，哈勃本人首次給出H0＝500（kms-1Mp宇宙年齡問題球狀星團(tuán)年齡的測定：

t=(1.5±0.4)1010

年哈勃常數(shù)的測定：

H0=(71±7)0.951.15

kms-1Mpc-1

哈勃年齡：1/H0=(1.380.14)1010年重要矛盾！若Λ＝0，k＝0，真實(shí)年齡t0=2/3H0=(0.92±0.09)1010年Date18陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙年齡問題球狀星團(tuán)年齡的測定：重要矛盾！若Λ＝0，k＝0，數(shù)學(xué)框架宇宙動(dòng)力學(xué)Date19陸埮中科院紫金山天文臺(tái)數(shù)學(xué)框架宇宙動(dòng)力學(xué)Date19陸埮中科院紫金山Feynman名言

“物理學(xué)家具有這樣的習(xí)慣，對(duì)于任一類現(xiàn)象，研究它們的最簡單例子，把這稱為‘物理’，而把更復(fù)雜的情況，看作其它領(lǐng)域的事。”

R.P.FeynmanDate20陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Feynman名言Date20陸埮中科院紫金宇宙學(xué)原理宇宙在大尺度上是均勻的，沒有邊界，也沒有中心。“一切平等。”從每個(gè)典型星系上看到的宇宙是完全一樣的?！皼]有任何一個(gè)地方有優(yōu)先權(quán)?！盌ate21陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙學(xué)原理Date21陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙動(dòng)力學(xué)方程Einstein方程：ttss消去，得宇宙動(dòng)力學(xué)方程

臨界密度（k＝0）：g/cm3Date22陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙動(dòng)力學(xué)方程Einstein方程：Date22靜態(tài)宇宙靜態(tài)宇宙：要求,即和P必有一負(fù)，一般是做不到的。為正，k必為正，閉宇宙Date23陸埮中科院紫金山天文臺(tái)靜態(tài)宇宙和P必有一負(fù)，一般是做不到的。Einstein宇宙與宇宙常數(shù)Einstein方程為使Einstein宇宙成為靜態(tài),要求,此時(shí)只要為正，、P均可為正、為正，k必為正，必為閉宇宙。Date24陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Einstein宇宙與宇宙常數(shù)Einstein方程只要為愛因斯坦宇宙靜態(tài)這是第一個(gè)現(xiàn)代宇宙學(xué)模型線元：空間有限而無邊，時(shí)間無限愛因斯坦模型經(jīng)不起微擾，不穩(wěn)定Date25陸埮中科院紫金山天文臺(tái)愛因斯坦宇宙靜態(tài)Date25陸埮中科院紫金山天Hubble定律與動(dòng)態(tài)宇宙Einstein宇宙不穩(wěn)定Hubble定律的發(fā)現(xiàn)靜態(tài)不再必要宇宙常數(shù)也不再必要，Einstein本人也后悔引入了它。Date26陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Hubble定律與動(dòng)態(tài)宇宙Date26陸埮中科院哈勃圖據(jù)Ia型超新星測距fromJAPeacock’sbook（1999）進(jìn)一步提供測距方法Date27陸埮中科院紫金山天文臺(tái)哈勃圖據(jù)Ia型超fromJAPeacock’sbook哈勃關(guān)系Hubble關(guān)系：

Z=(λ-λe)/λe=(H0/c)D

H0=100h0

km/(s.Mpc)

h0=0.4–12002年：

h0=(0.71±0.07)×0.951.15宇宙在膨脹！Date28陸埮中科院紫金山天文臺(tái)哈勃關(guān)系Hubble關(guān)系：宇宙在膨脹！Date28陸埮Friedmann宇宙動(dòng)態(tài)這是現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)模型線元：空間可以有限，可以無限，但時(shí)間有限這是動(dòng)態(tài)模型，不存在不穩(wěn)定性兩個(gè)可觀測參數(shù)：Hubble常數(shù)減速因子Date29陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Friedmann宇宙動(dòng)態(tài)Hubble常數(shù)減速因子Date2兩個(gè)可觀測參數(shù)Hubble常數(shù)減速因子

HDate30陸埮中科院紫金山天文臺(tái)兩個(gè)可觀測參數(shù)Hubble常數(shù)減速因子HDat宇宙膨脹曲線k=+1

封閉，有限?k=0

平直，無限?k=–1

開放，無限D(zhuǎn)ate31陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙膨脹曲線Date31陸埮中科院紫金山天文臺(tái)核素豐度演化Date32陸埮中科院紫金山天文臺(tái)核素豐度演化Date32陸埮中科院紫金山天文臺(tái)核素豐度的確定

Burles,S.etal,astro-ph/9903300

2.610-10

<

nB/s

<6.210-10

相當(dāng)于

B=(1.8~4.3)10-31

(g/cm3)

核素豐度可以確定重子物質(zhì)密度（可見物質(zhì)密度）Date33陸埮中科院紫金山天文臺(tái)核素豐度的確定

Burles,S.etal,astr引力之外還有斥力？宇宙在加速膨脹？Date34陸埮中科院紫金山天文臺(tái)引力之外還有斥力？宇宙在加速膨脹？Date34陸埮超新星超新星分類：II型－有氫線（大質(zhì)量恒星的塌縮）Ia型－沒有氫線（白矮星吸積到Chandrasekhar極限質(zhì)量）Ib型－沒有氫線、富氦（大質(zhì)量恒星的塌縮）Ic型－沒有氫線、貧氦（大質(zhì)量恒星的塌縮）Date35陸埮中科院紫金山天文臺(tái)超新星超新星分類：Date35陸Ia型超新星

當(dāng)吸積白矮星的質(zhì)量達(dá)到Chandrasekha極限，白矮星的爆燃而導(dǎo)致的超新星爆發(fā)。Date36陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Ia型超新星當(dāng)吸積白矮星的質(zhì)量達(dá)到ChandraseLuminositydistanceofastandardcandle

DL(z)=[Lp/(4F)]1/2超新星宇宙學(xué)Atightrelation:Lp~Δm15(Phillips1993)Multi-colorlightcurveshape(Riessetal.1995)Thestretchmethod(Perlmutteretal.1999)TheBayesianadaptedtemplatematch(BATM)method(Tonryetal.2003)Date37陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Luminositydistanceofas18個(gè)Ia型SN的平均峰值絕對(duì)星等：MB=-19.330.25（Y.Wang,2000,ApJ.536.531）重要發(fā)現(xiàn)：加速膨脹！Date38陸埮中科院紫金山天文臺(tái)18個(gè)Ia型SN的平均峰值絕對(duì)星等：MB=-19.33超新星宇宙學(xué)哈勃圖Knopetal,astro-ph/0309368Date39陸埮中科院紫金山天文臺(tái)超新星宇宙學(xué)哈勃圖Date39陸埮中科院紫金山兩個(gè)重要的根本性發(fā)現(xiàn)宇宙年齡問題：球狀星團(tuán)年齡可能超過哈勃年齡。宇宙膨脹問題：現(xiàn)在宇宙處在加速膨脹階段而不是減速膨脹階段。這是兩個(gè)根本性的大問題！Date40陸埮中科院紫金山天文臺(tái)兩個(gè)重要的根本性發(fā)現(xiàn)宇宙年齡問題：這是兩個(gè)根本性的大問題！D伽瑪暴的可能貢獻(xiàn)可達(dá)到的紅移遠(yuǎn)高于超新星不必考慮塵埃消光不必考慮光度演化不易定義穩(wěn)定的物理量誤差比較大K.Takahashi,etal,astro-ph/0305260Z.G.Dai,etal,ApJL,2004G.Ghirlanda,etal,ApJL,2004Friedman,etal,astro-ph/0408413

Date41陸埮中科院紫金山天文臺(tái)伽瑪暴的可能貢獻(xiàn)可達(dá)到的紅移遠(yuǎn)高于超新星K.TakahasjetEpE,jet伽瑪暴作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的可能性Date42陸埮中科院紫金山天文臺(tái)jetEpE,jet伽瑪暴作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的可能性Date4

E,jet-Ep(1+z)關(guān)系

Ghirlandaetal.(2004a);Dai,Liang&Xu(2004)Date43陸埮中科院紫金山天文臺(tái)E,jet-Ep(1+z)關(guān)伽瑪暴與超新星基本一致伽瑪暴超新星Dai,Liang,Xu,ApJ,2004Date44陸埮中科院紫金山天文臺(tái)伽瑪暴與超新星基本一致伽瑪暴超新星Dai,LiangGRB定宇宙參數(shù)

Dai，Liang，Xu，ApJL，2004還只是初步工作，尚待大幅改進(jìn)Date45陸埮中科院紫金山天文臺(tái)GRB定宇宙參數(shù)

暗能量提供斥力解釋宇宙加速膨脹暗能量Date46陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗能量提供斥力暗能量Date46陸埮中科院紫金宇宙常數(shù)Einstein方程：存在相當(dāng)于作如下變換：提供了正密度(c2/8G)，負(fù)壓強(qiáng)(–c4/8G)。正密度負(fù)壓強(qiáng)Date47陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙常數(shù)Einstein方

宇宙常數(shù)的三起三落①

AdvocatedbyEinsteintoconstructastaticuniverse,butdiscardedafterthediscoveryoftheexpansion;②

RevivedbyHoyle,Bondi,&Goldtosolveanagecrisis,butlaterresolvedbyasmallerHubbleconstant;③

Putforthtoexplaintheabundanceofquasarsatz~2,butnowknowntobeduetotheevolutionofquasarsthemselves.Date48陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙常數(shù)的三起三落①Advocate暗能量Einstein方程顯然，物質(zhì)（）產(chǎn)生引力，導(dǎo)致減速；而產(chǎn)生斥力，導(dǎo)致加速。上面–c2/4G項(xiàng)實(shí)際包括兩項(xiàng)，即＋3P/c2。P=–c4/8G=c2/8GDate49陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗能量Einstein方能量密度對(duì)于平坦宇宙：Ωk＝0，Ωm＋ΩΛ＝1Date50陸埮中科院紫金山天文臺(tái)能量密度對(duì)于平坦宇宙：Ωk＝0，Ωm能量、宇宙常數(shù)=c2/8G真空能量密度Date51陸埮中科院紫金山天文臺(tái)能量、宇宙常數(shù)=c2/8G真空能Date51陸埮為使宇宙加速膨脹：設(shè)為狀態(tài)方程的一般形式，則對(duì)于非相對(duì)論情形(普通物質(zhì))，有：w＝0；對(duì)于極端相對(duì)論(輻射)，有：w＝1/3；對(duì)于宇宙常數(shù)Λ，有：w＝P/c2

＝

－1。一般地來考慮（不計(jì)Λ），為了滿足加速膨脹，必需要求w＜－1/3，這不可能是正常物質(zhì)。物態(tài)方程Date52陸埮中科院紫金山天文臺(tái)為使宇宙加速膨脹：設(shè)為狀態(tài)暗能量真空能量（宇宙常數(shù)）動(dòng)力學(xué)場（Quintessence）狀態(tài)方程：Date53陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗能量真空能量（宇宙常數(shù)）狀態(tài)方程：暗能量解釋宇宙年齡問題Date54陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗能量解釋宇宙年齡問題Date54陸埮中科院紫宇宙年齡地球年齡---幾十億年球狀星團(tuán)年齡---一百幾十億年哈勃年齡---一百幾十億年接近甚至倒置（12－18Gyr）真實(shí)年齡更低Date55陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙年齡地球年齡---幾十億年接近（12－18Gyr）

減速因子Date56陸埮中科院紫金山天文臺(tái)減速因子Date56陸埮中L.M.Krauss,ScientificAmerican,1999減速加速Date57陸埮中科院紫金山天文臺(tái)L.M.Krauss,ScientificAmeric真實(shí)年齡大于哈勃年齡（這一情形在宇宙常數(shù)不為0時(shí)可能出現(xiàn)）哈勃年齡（1/H0）減速加速等速Date58陸埮中科院紫金山天文臺(tái)哈勃年齡（1/H0）減速加速等速Date58陸觀測到過去的減速，今天的加速。Date59陸埮中科院紫金山天文臺(tái)觀測到過Date59陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Riess,A.G.etal.,astro-ph/0402512TobepublishedinApJ,June,200416個(gè)z>1的Ia型超新星左邊為發(fā)現(xiàn)時(shí)刻的超新星，中間為發(fā)現(xiàn)前的情形，后面為兩者相減的結(jié)果。Date60陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Riess,A.G.etal.,astro-ph/0下圖是上圖的加權(quán)平均。清晰表明在高紅移下偏向減速。Date61陸埮中科院紫金山天文臺(tái)下圖是上圖的加權(quán)平均。清晰表明在高紅移下偏向減速。Date6精確宇宙學(xué)宇宙膨脹、微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等Date62陸埮中科院紫金山天文臺(tái)精確宇宙學(xué)宇宙膨脹、微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等Date6微波背景輻射譜獲諾貝爾獎(jiǎng)之作Date63陸埮中科院紫金山天文臺(tái)微波背景輻射譜獲諾貝爾獎(jiǎng)之作Date63陸埮中科

COBE背景輻射4年53GHz全天投影DMR圖上：包括偶極矩中：去除偶極矩下：也包括31和90GHz的數(shù)據(jù)，去除偶極和模型化的銀河系發(fā)射Date64陸埮中科院紫金山天文臺(tái)COBE背景輻射4年53GHz全天投影DMR圖Date6CMB功率譜（WMAP）G.Hinshawetal,ApJS,148(2003),135紅線代表最佳宇宙模型D.N.Spergeletal,ApJS,148(2003),175功率譜Date65陸埮中科院紫金山天文臺(tái)CMB功率譜（WMAP）紅線代表最佳宇宙模型功率譜Date6超新星大尺度結(jié)構(gòu)微波背景輻射的限定范圍Date66陸埮中科院紫金山天文臺(tái)超新星Date66陸埮中科院紫金山天文臺(tái)從PLANCK、SNAP等不同來源限定的wQ和m的范圍。在95.4%置信度下，有

Hannestad&Mortsell,astro-ph/0205096-2.68<w<-0.78看來，宇宙常數(shù)是很好的解：w＝－1。Date67陸埮中科院紫金山天文臺(tái)從PLANCK、SNAP等不同來源限定Hannestad&A.Melchiorri,etal,PRD,2003,68,043509SupernovaeCMBanisotropiesHubbleConstantLargeScaleStructureBBNwDate68陸埮中科院紫金山天文臺(tái)A.Melchiorri,etal,PRD,200？？？？？可見物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量份額B0.04M0.230.7320世紀(jì)是輝煌的世紀(jì)，一直研究小到10-16厘米。從宏觀到微觀，甚至也包括了天體物理，原則上似乎均已弄清楚。在世紀(jì)之交卻發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)弄清的原來只是不足4％的小部分物質(zhì)！96％的物質(zhì)幾乎完全茫然，等待著新的愛因斯坦們！Date69陸埮中科院紫金山天文臺(tái)？？？？？可見物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量份額B0.0420宇宙均勻膨脹熱背景輻射溫度約為T3K化學(xué)組成粗略地為：75%H,25%He,以及微量的其余元素通常的物質(zhì)比通常的反物質(zhì)要多得多宇宙微波背景輻射的絕熱起伏是近似標(biāo)度不變的宇宙在空間上是平坦的從1kpc到100Mpc標(biāo)度的階梯結(jié)構(gòu)通常物質(zhì)僅是所有物質(zhì)的約1/6物質(zhì)僅是所有能量的約1/4宇宙膨脹現(xiàn)在是加速的現(xiàn)在宇宙的主要特點(diǎn)Date70陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙均勻膨脹現(xiàn)在宇宙的主要特點(diǎn)Date70陸埮中宇宙成分分配

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%）Date71陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙成分分配

BeforeWMAPWMAPHighprecision

Date72陸埮中科院紫金山天文臺(tái)BeforeWMAPWMAPHighp暗能量與以太世紀(jì)之隔的兩個(gè)“怪物”何其相似乃爾！Date73陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗能量與以太世紀(jì)之隔的兩個(gè)“怪物”何其相似乃爾！Date73要新的Einstein嗎？一個(gè)世紀(jì)以前的兩朵烏云：“以太”與“黑體譜”－導(dǎo)致了世紀(jì)性的成果—相對(duì)論與量子力學(xué)。現(xiàn)在的兩朵烏云（三朵、四朵）：“暗能量”與“暗物質(zhì)”－會(huì)導(dǎo)致什么？暗能量也許正在呼喚新的Einstein！兩者的比較耐人尋味！Date74陸埮中科院紫金山天文臺(tái)要新的Einstein嗎？一個(gè)世紀(jì)以前的兩朵烏云：Date7暗物質(zhì)與暗能量暗物質(zhì)與暗能量Date76陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Date2陸埮中科院紫金山天文臺(tái)人的尺度在粒子與宇宙中間Date77陸埮中科院紫金山天文臺(tái)人的尺度在粒子與宇宙中間Date3陸埮中科院紫大尺度觀測事實(shí)可見物質(zhì)的平均密度：

B～10-31g/cm3

有暗物質(zhì)，高1個(gè)量級(jí)微波背景輻射（黑體、各向同性）：

T=2.726K

nγ400(T/2.7K)3cm-3Hubble關(guān)系：

Z=(λ-λe)/λe=(H0/c)D

H0=100h0

km/(s.Mpc)h0

0.71±0.07重子-光子比：

η=nB/nγ～10-10輕核素豐度：

4He：0.22Y0.24D/H1.810-5

(D+3He)/H1.010-47Li/H(1.0-1.4)10-10宇宙年齡：

tgc=(1.5±0.4)1010年1/H0=(1.380.14)1010年Date78陸埮中科院紫金山天文臺(tái)大尺度觀測事實(shí)可見物質(zhì)的平均密度：重子-光子比：Da怎樣測量物質(zhì)?暗物質(zhì)Date79陸埮中科院紫金山天文臺(tái)怎樣測量物質(zhì)?暗物質(zhì)Date5陸埮中科院紫金山

光度方法質(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/cm3Date80陸埮中科院紫金山天文臺(tái)光度方法質(zhì)光關(guān)系：據(jù)光度定質(zhì)量B～10-力學(xué)方法用力學(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(jí)之差。測量范圍越大，差別越大存在暗物質(zhì)（可大1個(gè)量級(jí)）:

有引力，卻不發(fā)光Date81陸埮中科院紫金山天文臺(tái)力學(xué)方法Date7陸埮中科院紫金山天文臺(tái)VR-1/2(Kepler)VconstDate82陸埮中科院紫金山天文臺(tái)VR-1/2(Kepler)VconstDate8陸星系旋轉(zhuǎn)曲線曲線平坦部分遠(yuǎn)高于Kepler情形Date83陸埮中科院紫金山天文臺(tái)星系旋轉(zhuǎn)曲線曲線平坦部分遠(yuǎn)Date9陸埮中科院7spiralgalaxies.Theflatnessindicatesthepresenceofhugedarkhalos.(V.J.Martinez,astro-ph/0203377).巨大的暗暈：存在暗物質(zhì)Date84陸埮中科院紫金山天文臺(tái)7spiralgalaxies.Theflatnes暗物質(zhì)的性質(zhì)暗物質(zhì)不發(fā)光，卻有引力。宇宙中暗物質(zhì)比可見物質(zhì)多得多。暗物質(zhì)粒子的主要性質(zhì)：1）長壽命；2）主要是冷的（質(zhì)量大）；3）作用弱。主要暗物質(zhì)粒子不可能是普通物質(zhì)粒子。

“過盡千帆皆不是（溫庭筠

）”！可能候選者：Neutralino、Axion等。Date85陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗物質(zhì)的性質(zhì)暗物質(zhì)不發(fā)光，卻有引力。Date11陸埮暗物質(zhì)存在的其他證據(jù)宇宙結(jié)構(gòu)（恒星、星系）形成所需的物質(zhì)遠(yuǎn)多于宇宙核合成定出的重子物質(zhì)。如果沒有暗物質(zhì)，就沒有足夠的時(shí)間形成今天宇宙的結(jié)構(gòu)。有了暗物質(zhì)，就可以在復(fù)合期前在暗物質(zhì)中形成增長。CMB非各向同性的存在，10－5?！ぁぁぁぁぁate86陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗物質(zhì)存在的其他證據(jù)宇宙結(jié)構(gòu)（恒星、星系）形成所需怎樣測量宇宙年齡?宇宙年齡Date87陸埮中科院紫金山天文臺(tái)怎樣測量宇宙年齡?宇宙年齡Date13陸埮中科院宇宙年齡的下限?

宇宙年齡大于任何天體的年齡：

?地球年齡：放射性測量?太陽系年齡：?年齡最大的球狀星團(tuán)：

t=(1.5±0.4)1010年

為宇宙年齡下限D(zhuǎn)ate88陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙年齡的下限?宇宙年齡大于任何天體的年齡：Da宇宙年齡的上限如果宇宙是等速膨脹，則宇宙年齡：t＝1/H0（稱哈勃年齡）存在引力，宇宙減速膨脹，t<1/H0：哈勃年齡為宇宙年齡上限。Date89陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙年齡的上限如果宇宙是等速膨脹，則宇宙年齡：Dat哈勃年齡：1/H0真實(shí)年齡小于哈勃年齡Date90陸埮中科院紫金山天文臺(tái)哈勃年齡：1/H0Date16陸埮中科院紫金1929年，哈勃本人首次給出H0＝500（km

s-1Mpc-1）1936年，哈勃考慮到星際消光的影響，將哈勃常數(shù)改為H0=526,誤差15%。（由此給出的宇宙哈勃年齡很短，只有H0-1=1.84108年。）1956年，Humasion等人給出H0=180。1961年，Sandage等人給出H0=98±15。1970’s年，Sandage等人給出H0=50.3±4.3;

deVaculear等人給出H0=100±10。哈勃常數(shù)測定的變遷目前（2002）值：H0=(71±7)0.951.15

kms-1Mpc-1

1/H0=(1.38

0.14)1010年Date91陸埮中科院紫金山天文臺(tái)1929年，哈勃本人首次給出H0＝500（kms-1Mp宇宙年齡問題球狀星團(tuán)年齡的測定：

t=(1.5±0.4)1010

年哈勃常數(shù)的測定：

H0=(71±7)0.951.15

kms-1Mpc-1

哈勃年齡：1/H0=(1.380.14)1010年重要矛盾！若Λ＝0，k＝0，真實(shí)年齡t0=2/3H0=(0.92±0.09)1010年Date92陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙年齡問題球狀星團(tuán)年齡的測定：重要矛盾！若Λ＝0，k＝0，數(shù)學(xué)框架宇宙動(dòng)力學(xué)Date93陸埮中科院紫金山天文臺(tái)數(shù)學(xué)框架宇宙動(dòng)力學(xué)Date19陸埮中科院紫金山Feynman名言

“物理學(xué)家具有這樣的習(xí)慣，對(duì)于任一類現(xiàn)象，研究它們的最簡單例子，把這稱為‘物理’，而把更復(fù)雜的情況，看作其它領(lǐng)域的事?！?/p>

R.P.FeynmanDate94陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Feynman名言Date20陸埮中科院紫金宇宙學(xué)原理宇宙在大尺度上是均勻的，沒有邊界，也沒有中心?！耙磺衅降??！睆拿總€(gè)典型星系上看到的宇宙是完全一樣的?！皼]有任何一個(gè)地方有優(yōu)先權(quán)。”Date95陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙學(xué)原理Date21陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙動(dòng)力學(xué)方程Einstein方程：ttss消去，得宇宙動(dòng)力學(xué)方程

臨界密度（k＝0）：g/cm3Date96陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙動(dòng)力學(xué)方程Einstein方程：Date22靜態(tài)宇宙靜態(tài)宇宙：要求,即和P必有一負(fù)，一般是做不到的。為正，k必為正，閉宇宙Date97陸埮中科院紫金山天文臺(tái)靜態(tài)宇宙和P必有一負(fù)，一般是做不到的。Einstein宇宙與宇宙常數(shù)Einstein方程為使Einstein宇宙成為靜態(tài),要求,此時(shí)只要為正，、P均可為正、為正，k必為正，必為閉宇宙。Date98陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Einstein宇宙與宇宙常數(shù)Einstein方程只要為愛因斯坦宇宙靜態(tài)這是第一個(gè)現(xiàn)代宇宙學(xué)模型線元：空間有限而無邊，時(shí)間無限愛因斯坦模型經(jīng)不起微擾，不穩(wěn)定Date99陸埮中科院紫金山天文臺(tái)愛因斯坦宇宙靜態(tài)Date25陸埮中科院紫金山天Hubble定律與動(dòng)態(tài)宇宙Einstein宇宙不穩(wěn)定Hubble定律的發(fā)現(xiàn)靜態(tài)不再必要宇宙常數(shù)也不再必要，Einstein本人也后悔引入了它。Date100陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Hubble定律與動(dòng)態(tài)宇宙Date26陸埮中科院哈勃圖據(jù)Ia型超新星測距fromJAPeacock’sbook（1999）進(jìn)一步提供測距方法Date101陸埮中科院紫金山天文臺(tái)哈勃圖據(jù)Ia型超fromJAPeacock’sbook哈勃關(guān)系Hubble關(guān)系：

Z=(λ-λe)/λe=(H0/c)D

H0=100h0

km/(s.Mpc)

h0=0.4–12002年：

h0=(0.71±0.07)×0.951.15宇宙在膨脹！Date102陸埮中科院紫金山天文臺(tái)哈勃關(guān)系Hubble關(guān)系：宇宙在膨脹！Date28陸埮Friedmann宇宙動(dòng)態(tài)這是現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)模型線元：空間可以有限，可以無限，但時(shí)間有限這是動(dòng)態(tài)模型，不存在不穩(wěn)定性兩個(gè)可觀測參數(shù)：Hubble常數(shù)減速因子Date103陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Friedmann宇宙動(dòng)態(tài)Hubble常數(shù)減速因子Date2兩個(gè)可觀測參數(shù)Hubble常數(shù)減速因子

HDate104陸埮中科院紫金山天文臺(tái)兩個(gè)可觀測參數(shù)Hubble常數(shù)減速因子HDat宇宙膨脹曲線k=+1

封閉，有限?k=0

平直，無限?k=–1

開放，無限D(zhuǎn)ate105陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙膨脹曲線Date31陸埮中科院紫金山天文臺(tái)核素豐度演化Date106陸埮中科院紫金山天文臺(tái)核素豐度演化Date32陸埮中科院紫金山天文臺(tái)核素豐度的確定

Burles,S.etal,astro-ph/9903300

2.610-10

<

nB/s

<6.210-10

相當(dāng)于

B=(1.8~4.3)10-31

(g/cm3)

核素豐度可以確定重子物質(zhì)密度（可見物質(zhì)密度）Date107陸埮中科院紫金山天文臺(tái)核素豐度的確定

Burles,S.etal,astr引力之外還有斥力？宇宙在加速膨脹？Date108陸埮中科院紫金山天文臺(tái)引力之外還有斥力？宇宙在加速膨脹？Date34陸埮超新星超新星分類：II型－有氫線（大質(zhì)量恒星的塌縮）Ia型－沒有氫線（白矮星吸積到Chandrasekhar極限質(zhì)量）Ib型－沒有氫線、富氦（大質(zhì)量恒星的塌縮）Ic型－沒有氫線、貧氦（大質(zhì)量恒星的塌縮）Date109陸埮中科院紫金山天文臺(tái)超新星超新星分類：Date35陸Ia型超新星

當(dāng)吸積白矮星的質(zhì)量達(dá)到Chandrasekha極限，白矮星的爆燃而導(dǎo)致的超新星爆發(fā)。Date110陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Ia型超新星當(dāng)吸積白矮星的質(zhì)量達(dá)到ChandraseLuminositydistanceofastandardcandle

DL(z)=[Lp/(4F)]1/2超新星宇宙學(xué)Atightrelation:Lp~Δm15(Phillips1993)Multi-colorlightcurveshape(Riessetal.1995)Thestretchmethod(Perlmutteretal.1999)TheBayesianadaptedtemplatematch(BATM)method(Tonryetal.2003)Date111陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Luminositydistanceofas18個(gè)Ia型SN的平均峰值絕對(duì)星等：MB=-19.330.25（Y.Wang,2000,ApJ.536.531）重要發(fā)現(xiàn)：加速膨脹！Date112陸埮中科院紫金山天文臺(tái)18個(gè)Ia型SN的平均峰值絕對(duì)星等：MB=-19.33超新星宇宙學(xué)哈勃圖Knopetal,astro-ph/0309368Date113陸埮中科院紫金山天文臺(tái)超新星宇宙學(xué)哈勃圖Date39陸埮中科院紫金山兩個(gè)重要的根本性發(fā)現(xiàn)宇宙年齡問題：球狀星團(tuán)年齡可能超過哈勃年齡。宇宙膨脹問題：現(xiàn)在宇宙處在加速膨脹階段而不是減速膨脹階段。這是兩個(gè)根本性的大問題！Date114陸埮中科院紫金山天文臺(tái)兩個(gè)重要的根本性發(fā)現(xiàn)宇宙年齡問題：這是兩個(gè)根本性的大問題！D伽瑪暴的可能貢獻(xiàn)可達(dá)到的紅移遠(yuǎn)高于超新星不必考慮塵埃消光不必考慮光度演化不易定義穩(wěn)定的物理量誤差比較大K.Takahashi,etal,astro-ph/0305260Z.G.Dai,etal,ApJL,2004G.Ghirlanda,etal,ApJL,2004Friedman,etal,astro-ph/0408413

Date115陸埮中科院紫金山天文臺(tái)伽瑪暴的可能貢獻(xiàn)可達(dá)到的紅移遠(yuǎn)高于超新星K.TakahasjetEpE,jet伽瑪暴作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的可能性Date116陸埮中科院紫金山天文臺(tái)jetEpE,jet伽瑪暴作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的可能性Date4

E,jet-Ep(1+z)關(guān)系

Ghirlandaetal.(2004a);Dai,Liang&Xu(2004)Date117陸埮中科院紫金山天文臺(tái)E,jet-Ep(1+z)關(guān)伽瑪暴與超新星基本一致伽瑪暴超新星Dai,Liang,Xu,ApJ,2004Date118陸埮中科院紫金山天文臺(tái)伽瑪暴與超新星基本一致伽瑪暴超新星Dai,LiangGRB定宇宙參數(shù)

Dai，Liang，Xu，ApJL，2004還只是初步工作，尚待大幅改進(jìn)Date119陸埮中科院紫金山天文臺(tái)GRB定宇宙參數(shù)

暗能量提供斥力解釋宇宙加速膨脹暗能量Date120陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗能量提供斥力暗能量Date46陸埮中科院紫金宇宙常數(shù)Einstein方程：存在相當(dāng)于作如下變換：提供了正密度(c2/8G)，負(fù)壓強(qiáng)(–c4/8G)。正密度負(fù)壓強(qiáng)Date121陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙常數(shù)Einstein方

宇宙常數(shù)的三起三落①

AdvocatedbyEinsteintoconstructastaticuniverse,butdiscardedafterthediscoveryoftheexpansion;②

RevivedbyHoyle,Bondi,&Goldtosolveanagecrisis,butlaterresolvedbyasmallerHubbleconstant;③

Putforthtoexplaintheabundanceofquasarsatz~2,butnowknowntobeduetotheevolutionofquasarsthemselves.Date122陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙常數(shù)的三起三落①Advocate暗能量Einstein方程顯然，物質(zhì)（）產(chǎn)生引力，導(dǎo)致減速；而產(chǎn)生斥力，導(dǎo)致加速。上面–c2/4G項(xiàng)實(shí)際包括兩項(xiàng)，即＋3P/c2。P=–c4/8G=c2/8GDate123陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗能量Einstein方能量密度對(duì)于平坦宇宙：Ωk＝0，Ωm＋ΩΛ＝1Date124陸埮中科院紫金山天文臺(tái)能量密度對(duì)于平坦宇宙：Ωk＝0，Ωm能量、宇宙常數(shù)=c2/8G真空能量密度Date125陸埮中科院紫金山天文臺(tái)能量、宇宙常數(shù)=c2/8G真空能Date51陸埮為使宇宙加速膨脹：設(shè)為狀態(tài)方程的一般形式，則對(duì)于非相對(duì)論情形(普通物質(zhì))，有：w＝0；對(duì)于極端相對(duì)論(輻射)，有：w＝1/3；對(duì)于宇宙常數(shù)Λ，有：w＝P/c2

＝

－1。一般地來考慮（不計(jì)Λ），為了滿足加速膨脹，必需要求w＜－1/3，這不可能是正常物質(zhì)。物態(tài)方程Date126陸埮中科院紫金山天文臺(tái)為使宇宙加速膨脹：設(shè)為狀態(tài)暗能量真空能量（宇宙常數(shù)）動(dòng)力學(xué)場（Quintessence）狀態(tài)方程：Date127陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗能量真空能量（宇宙常數(shù)）狀態(tài)方程：暗能量解釋宇宙年齡問題Date128陸埮中科院紫金山天文臺(tái)暗能量解釋宇宙年齡問題Date54陸埮中科院紫宇宙年齡地球年齡---幾十億年球狀星團(tuán)年齡---一百幾十億年哈勃年齡---一百幾十億年接近甚至倒置（12－18Gyr）真實(shí)年齡更低Date129陸埮中科院紫金山天文臺(tái)宇宙年齡地球年齡---幾十億年接近（12－18Gyr）

減速因子Date130陸埮中科院紫金山天文臺(tái)減速因子Date56陸埮中L.M.Krauss,ScientificAmerican,1999減速加速Date131陸埮中科院紫金山天文臺(tái)L.M.Krauss,ScientificAmeric真實(shí)年齡大于哈勃年齡（這一情形在宇宙常數(shù)不為0時(shí)可能出現(xiàn)）哈勃年齡（1/H0）減速加速等速Date132陸埮中科院紫金山天文臺(tái)哈勃年齡（1/H0）減速加速等速Date58陸觀測到過去的減速，今天的加速。Date133陸埮中科院紫金山天文臺(tái)觀測到過Date59陸埮中科院紫金山天文臺(tái)Riess,A.G.etal.,ast