觀測宇宙學的一些新進展

觀測宇宙學的一些新進展第1頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第2頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第3頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四大爆炸宇宙的提出和標準化1927年，勒梅特，“原始光子”1948年，伽莫夫(Gamov)、阿爾芬(Alpher)、貝色(Bethe)，--理論1957年，B2FH（G.Burbidge,F.Burbidge,FowlerandHoyle)1965年，宇宙微波背景發(fā)現標準化進程：愛因斯坦，弗里德曼，羅伯遜，沃克，勒梅特，伽莫夫第4頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四熱大爆炸宇宙模型

－標準宇宙模型宇宙中的物質分布是均勻和各項同性的目前的宇宙處于膨脹狀態(tài)宇宙起源于一次熱大爆炸宇宙時空用R－W度規(guī)來描述第5頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四從熱大爆炸宇宙誕生光子粒子對TKB＝2mc2T2mc2/KB第6頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四3分鐘造就一個宇宙第7頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四最初三分鐘T＝1013

核子：質子，反質子，中子，反中子

t＝1.510-6秒T＝1012

強子：介子

t＝1.210-4秒T＝1011

光子和粒子熱動平衡

t＝0.01秒T＝1010

中微子逃逸

t＝1.1秒T＝109

正負電子湮滅，電子、質子、氘和氦

t＝3分45秒第8頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四宇宙的極早期<10-6秒，物質和輻射不可分，引力可能量子化

一片夸克海洋

第9頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第10頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四人的認識極限－量子化

⊿E⊿t≈

?

?=h/2，h=6.62510-27erg·s產生粒子對⊿E＝2mc2的時間

⊿t＝tc＝?/2mc2---康普頓時間光穿過一個m基本粒子的時間ts＝2Gm/c3---史瓦西時間第11頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四極限物理量令tc＝ts，

普朗克質量普朗克時間普朗克長度普朗克溫度T=1032K

第12頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四支持熱大爆炸的主要觀測事實目前的宇宙在膨脹著存在著各向同性的黑體譜宇宙背景輻射氦和氘的宇宙豐度（約占1/4）必須借助早期的宇宙核合成宇宙的年齡不超過200億年第13頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第14頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第15頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

第16頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第17頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四觀測能力極大提高

－多波段天文學

γ-rayX－ray光學紅外射電第22頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

X－ray巡天Uhuru（自由號）1970HERO－1高能天文臺1977HERO－2愛因斯坦天文臺1978HERO－31979白鳥(Hakucho)1979天馬(Tenma－Astro-B)1983EXOSAT1983銀河(Ginga－Astro-C)1987第23頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四ROSAT

1990ASCA(Astro-D)1993－2001BeppoSAX1996－2002RXTE1995－

(ROSSX-rayTimingExplorer)Chandra(AXAF)1999

(NASA)XMM-Newton1999第24頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四TheUhuruSatelliteTheHEAO-1Satellite

TheHEAO-3Satellite

TheEinsteinObservatory(HEAO-2)

第25頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四TheHakuchoSatelliteTheTenma[AstroB]SatelliteTheEXOSATObservatoryTheGingaSatellite第26頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四ASCA:TheAdvancedSatelliteforCosmologyandAstrophysicsBeppoSAXTheRossiX-rayTimingExplorer第27頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四ROSAT:TheRoentgenSatellite

第28頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四ChandraX-rayObservatory第29頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四MissionChandra

Lifetime:23July1999-(nominal5yearmission)

EnergyRange:0.1-10keV

SpecialFeatures:64Hourshighly-eccentricEarthorbit.Spatialresolution<1arcsecScienceHightlight:X-rayimagingthesourcesassociatedwithGamma-rayburstsanddeterminingtheirpositionswithanunprecedentedprecision.MonitoringtheX-rayafterglowofGamma-raybursts第30頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四TheX-rayMulti-MirrorMission(XMM-Newton)第31頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

MissionXMM-NewtonLifetime:December1999-(nominal10yearmission)

EnergyRange:0.1-15keV

SpecialFeatures:Verylargecollectingarea.

SimulataneousX-ray&Opticalobservations.第32頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四ThefollowingfigurecomparestheXMM-NewtonmirrorareaswiththoseofotherrecentX-rayobservatories(notethatthedetectorefficiencyhasnotbeenincluded).ThefigureclearlyshowsthegreaterareaandextendedenergyrangeofXMM-NewtoncomparedtoROSAT,ASCA,andevenChandra.第33頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

光學巡天巡天極限星等發(fā)現天體Markarian15.m5~500Kiso（木曾）~19.m0~10,000PalomarBQS16.m2~100LBQS~18.m51054Edinburgh/Cape~17.m0240HSTWF/PC~28.m0~3000SDSS~20.m0~105第34頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第35頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第36頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2dF第37頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四DeepExtragalacticEvolutionaryProbe(DEEP)

TheDeepExtragalacticEvolutionaryProbe(DEEP)isamulti-yearprogramwhichusesthetwin10-mKeckTelescopesandtheHubbleSpaceTelescopetoconductalargescalesurveyofdistant,faint,fieldgalaxies.第38頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

紅外巡天

IRAS12,25,60,100μm1983ISO2.5-240μm1995-19982MASSSIRTF2.5-200μm2003WIRE12,25μm1998第39頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第40頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第41頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第42頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第43頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第44頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第46頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四TheTwoMicronAllSkySurvey(2MASS)projectTwoMatching1.3mTelescopes,OptimizedforEfficientSkyCoverageSitesareMt.HopkinsandCTIOCamerasinclude3infraredarrays,256×256--oneforeachthethreebands(J(1.25μm),H(1.65μm),andKs(2.17μm)CameraPixelSizeis2.0"x2.0"Tiltingsecondarymotionduringdeclinationscanningfreezesframes.1.3secondexposuretimeperframex6framespersource=7.8sintegrationtime.Sub-steppinginboththein-scanandcross-scandirectionminimizeseffectsofundersamplingduetolargepixels.MappingRateof70sq.deg./band/night第47頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第48頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四3C178MHz5C178MHz6C151MHz8C38MHzTexas365MHz87GB4.85MHzGB64.85MHzParkes2.7MHzNVSS1.4MHzFIRST1.4MHz射電巡天(38MHz-4.85GHz)第49頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四NVSS(NRAOVLASkySurvey)NVSS是利用VLA系統(tǒng)在1.4GHz對赤緯-40(J2000.0)的天區(qū)進行射電巡天，角分辨率約為45“，5的靈敏度約2.4mJy。它在1997年底結束，巡天范圍達天球表面積的82%。它的主要結果有(1)2326幅4×4

射電天圖，每幅圖中有約一千個射電源，并包含Stokes的I、Q、U三個分量的偏振信息；(2)約1,800,000個分離射電源星表，流量密度S2.5mJy，表中有各源的射電坐標、1.4GHz的射電流量、偏振流量、偏振位置角及其測量誤差等。第50頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四TheFIRSTSurveyFaintImagesoftheRadioSkyat20cm--isaprojectdesignedtoproducetheradioequivalentofthePalomarObservatorySkySurveyover10,000squaredegreesoftheNorthandSouthGalacticCaps.UsingtheNRAOVeryLargeArray(VLA)andanautomatedmappingpipeline,weproduceimageswith1.8"pixels,atypicalrmsof0.15mJy,andaresolutionof5".Atthe1mJysourcedetectionthreshold,thereare~90sourcespersquaredegree,~35%ofwhichhaveresolvedstructureonscalesfrom2-30".第51頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四全波段,大樣本,巨信息

突出創(chuàng)新思想增強課題意識第52頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第53頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四LAMOST的光譜能力與觀測模式?

107星系

—宇宙大尺度結構與星系物理?

107恒星

—恒星物理與銀河系結構?

106類星體…

—多波段天體物理

第54頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第55頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四觀測宇宙學的熱點哈勃常數和宇宙的年齡宇宙中的暗物質宇宙中的元素豐度宇宙的大尺度結構宇宙的背景輻射活動星系核第56頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四宇宙的背景輻射第57頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第58頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第59頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第60頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第61頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第62頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第63頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第64頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第65頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第66頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第67頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第68頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第69頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四哈勃常數和宇宙的年齡測定哈勃常數方法星系和星系團超新星宇宙背景輻射第70頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第71頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第72頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第73頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第74頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四最新的宇宙學常數哈勃常數h＝0.71±0.03宇宙年齡t0＝13.7±0.2Gyr宇宙背景溫度TCMB＝2.725±0.002K宇宙總物質密度tot=1.02±0.02暗能量密度=0.73±0.04重子物質密度b=0.044±0.004物質密度m=0.27±0.04第75頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四宇宙中的元素豐度和物質

第76頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四可視物質和不可視物質（暗物質）宇宙中可視物質部分遠遠小于不可視物質部分。從星系和星系團的物質含量分析，可視部分估計占10—30%。一些星系團的動力學分析表明，可視物質成分可能只占1%左右。

暗物質的發(fā)現：

在觀測銀河系的旋轉運動時，在銀河系中觀測到的天體的質量與根據動力學計算出來的質量不符。觀測到的天體數量顯著不足。這些沒有觀測到的物質便稱之為暗物質或不可視物質，有時也稱為短缺質量。第77頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第78頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第79頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第80頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四熱氣體的X射線輻射

對于橢圓星系，利用轉動曲線方法確定質量不再十分有效。更直接的方法是觀測其熱氣體的X射線輻射。由X射線輻射溫度估計出的暗物質的數量和旋渦星系差不多。

對于星系團，ROSAT的X射線觀測表明，星系團中充滿了熱氣體。其暗物質成分至少在可視物質的10倍以上。一些星系團,如室女團、后發(fā)團，其M/L≥100。個別星系團的質光比能夠達到1000。動力學質量對于星系對和星系團，用動力學方法（位力定理）確定的位力質量遠超過可視質量引力透鏡效應第81頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第82頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第83頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

宇宙中的暗物質比可見物質質量要高十倍，幾十倍甚至上百倍。因此，暗物質的存在增強了宇宙大尺度分布的均勻性，而且可能是宇宙運動和演化的主宰。第84頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四類星體的觀測與研究第85頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第86頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四類星體的多波段觀測光學波段射電波段X射線波段紅外波段完備的多波段樣本第87頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四SlitlessSpectroscopicTechniqueByHoag,Smith,Osmer…in1970’sFromtheslitlessspectrumonecanseeLy1216?CIV1549?CIII1909?MGII2798?Improvement:(1)Todecreasetheselecteffect(2)Toincreasethesuccessfulrate第88頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第89頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第90頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第91頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第92頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第93頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第94頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四宇宙探針宇宙中最早形成的天體？引力透鏡Ly線叢D豐度測定

第95頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四問題與挑戰(zhàn)第96頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四1.大尺度結構是完全均勻的嗎第97頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第98頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第99頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第100頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第101頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第102頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2.氘的豐度是否出了問題D豐度測定

D/H=210-5

觀測值310-4第103頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第104頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第105頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四3.先有雞還是先有蛋星系是怎樣形成的第106頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第107頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第108頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第109頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四這張照片是由哈勃空間望遠鏡拍攝的。星系團中的藍色表明它們還相當年輕，它們的年齡從兩百萬年到十億年。這個星系群和與它最近的星系相距15萬光年。它位于飛馬座，離我們2.7億光年，也是最早發(fā)現的密集星系群。下面的動畫顯示了該星系群的形成過程。第110頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四4.最遙遠的天體是什么類星體Z=6.42星系Z=6.56其它Z=?第111頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第112頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第113頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第114頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第115頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四5.類星體的紅移的本質及其爭論紅移的本質宇宙論性非宇宙論性（二者兼之）第116頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四宇宙論性紅移類星體和一些活動星系核沒有明顯的本質區(qū)別類星體光譜中的H，C，Ca，Mg，Na等的譜線都出現在一般星系中在幾個和星系靠近的類星體中，觀測到了紅移值和星系距離一致的吸收線Ly森林線是由宇宙中的氫云造成的類星體對中觀測到了屬于對方的吸收線觀測到了類星體周圍的氣體云，且距離相同，表明類星體是活動星系核引力透鏡現象沒有肯定的證據證明紅移是非宇宙論性的第117頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四非宇宙論性紅移亮星系周圍類星體的數密度明顯高于場類星體類星體靠近星系，而彼此紅移相差很大亮星系本身存在著高紅移的“特區(qū)”類星體和星系存在著統(tǒng)計上的相關性類星體往往存在著特殊的排列和成團性觀測上沒有發(fā)現黑洞模型的充分證據“能量予莫”矛盾依然存在沒有肯定證據否定紅移是非宇宙論性的第118頁，共149頁，2023年，