基礎(chǔ)天文學(xué)宇宙

基礎(chǔ)天文學(xué)宇宙第一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五4.1大爆炸宇宙學(xué)宇宙是永恒的、穩(wěn)定的問題：物質(zhì)→引力→宇宙坍縮可能的解決途徑：(1)宇宙在空間和質(zhì)量上是無限大的(2)宇宙在膨脹(3)宇宙有起點(diǎn)和終點(diǎn)(2)、(3)點(diǎn)違反宇宙永恒與穩(wěn)定的性質(zhì)，于是牛頓認(rèn)為宇宙應(yīng)該是無限的一：牛頓宇宙第二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五奧伯斯（Olbers）佯謬如果宇宙是無限的，且恒星的分布是均勻的→在任意視線方向都有一顆恒星→夜晚的天空應(yīng)該像白天一樣明亮

第三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五假設(shè)恒星數(shù)密度為n，則距離為

r到r+dr

球殼內(nèi)恒星數(shù)目為令每顆恒星的光度為L，在地球上接收到殼層內(nèi)一顆恒星的輻射流量為宇宙中所有恒星照射到地球上的輻射應(yīng)該從0到無窮，于是總的輻射流量為積累的星光使得黑夜應(yīng)該亮如白晝！。第四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五對(duì)奧伯斯佯謬的現(xiàn)代解釋由于宇宙膨脹，星系在離我們遠(yuǎn)去，發(fā)出的光子發(fā)生紅移宇宙的年齡不是無限的，遙遠(yuǎn)恒星的光子迄今尚未到達(dá)地球。我們只可能觀測到宇宙視界（天體的退行速度達(dá)到光速處）內(nèi)的天體的輻射。第五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五二.膨脹的宇宙

(1)宇宙中的物質(zhì)是均勻分布的 迄今沒有發(fā)現(xiàn)尺度超過200Mpc的結(jié)構(gòu)約100萬個(gè)星系在30度天空范圍和20億光年距離內(nèi)的分布1：宇宙學(xué)原理第六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五(2)宇宙是各向同性的→宇宙沒有中心第七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五2.膨脹宇宙模型

1917年Einstein將廣義相對(duì)論引力場方程應(yīng)用于宇宙的結(jié)構(gòu)，物質(zhì)引力時(shí)空彎曲 其中Λ為宇宙學(xué)常數(shù)，為宇宙介質(zhì)的能量動(dòng)量張量。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，表明宇宙在膨脹或者收縮。Einstein認(rèn)為宇宙應(yīng)該是永恒的、穩(wěn)定的。為求引力場方程的均勻的和各向同性的解，Einstein加入一個(gè)起斥力作用“宇宙學(xué)常數(shù)”(cosmologicalconstant)Λ，得到一個(gè)靜態(tài)宇宙模型（有限無邊，沒有中心）。第八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五1922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ρ的大小。宇宙總能量

E=T+U=mV2/2–GMm/r

=mH2r2/2–(4πr3/3)Gmρ/r =mr2(H2/2–4πGρ/3)→當(dāng)ρ=ρc=3H2/(8πG)≈8×10-30gcm-3時(shí)，E=0第九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五宇宙的未來定義宇宙密度參數(shù)Ω0=ρ/ρcΩ0

>

1,束縛宇宙Ω0

<

1,開放宇宙Ω0

=1,臨界束縛宇宙Ω0的測定在一個(gè)很大的空間內(nèi)測量星系的質(zhì)量Ω0≈0.01.如果宇宙中的物質(zhì)絕大部分由暗物質(zhì)構(gòu)成Ω0≈0.3-0.4第十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五宇宙的位形Ω0

=1,零曲率，平直宇宙Ω0

>1,正曲率，封閉宇宙Ω0

<1,負(fù)曲率，開放宇宙第十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五3：哈勃定律與星系紅移星系的譜線紅移遵循哈勃定律

V=H0D

其中哈勃常數(shù)H0≈

65km/s/Mpc假設(shè)宇宙膨脹速度不隨時(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≈150億年宇宙的年齡是有限的，它有一個(gè)起點(diǎn)。第十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五天文觀測：宇宙正在膨脹星系間的距離正在不斷變大將時(shí)間向回追溯,星系間距離會(huì)逐漸變小今天星系的平均間距約為星系自身大小的100倍宇宙的尺度因子R比現(xiàn)在小2個(gè)量級(jí)時(shí)星系的間距將比星系本身的尺度還要小明顯的矛盾第十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五所以：星系在那時(shí)并不存在,星系的誕生是宇宙演化的結(jié)果同樣,宇宙中的其它天體在宇宙早期也不存在,也是宇宙演化到一定階段的產(chǎn)物宇宙膨脹的同時(shí),宇宙中的物質(zhì)組分和結(jié)構(gòu)在不斷變化早期的宇宙,物質(zhì)的密度大,溫度高宇宙密度大到分子間距比分子大小還小時(shí),那時(shí)的宇宙中也不會(huì)有分子存在第十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五4：大爆炸宇宙學(xué)

1940sGamov和Alpher首先提出宇宙起源于約150億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。GeorgeGamov第十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五現(xiàn)代宇宙學(xué)的三大基石1929哈勃膨脹（星系的整體退行）微波背景輻射輕元素的合成宇宙大爆炸理論在有限的時(shí)間以前，這些天體必然會(huì)聚集在一個(gè)極小的空間宇宙是均勻各向同性的；肯定了宇宙的早期熱歷史宇宙熱歷史提供了輕元素自然產(chǎn)生和結(jié)束的環(huán)境；實(shí)驗(yàn)測定的元素豐度符合大爆炸核合成理論Eg：宇宙年齡第十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五4.2宇宙微波背景輻射1.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10K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3.5K、各向同性的黑體輻射。它被證實(shí)為宇宙微波背景輻射 (CosmicMicrowaveBackground)第十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五2.特點(diǎn)1989年宇宙背景探測儀（COBE）對(duì)0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景輻射進(jìn)行觀測高度各向同性2.74K黑體輻射

第十八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五微波背景輻射譜1978Nobel:"fortheirdiscoveryofcosmicmicrowavebackgroundradiation"第十九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五微波背景輻射的漲落扣除微波背景輻射的偶極不對(duì)稱和銀河系塵埃輻射的影響后，微波背景輻射表現(xiàn)出大小為十萬分之幾的溫度變化。這種細(xì)微的溫度變化表明宇宙演化早期存在微小的不均勻性，正是這種不均勻性導(dǎo)致了星系的形成。第二十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五2006年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)兩位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者：1.JohnMather,SeniorastrophysicistatNASA’sGoddardSpaceFlightCenter2.GeorgeSmoot,ProfessorofPhysicsatUniversityofCalifornia,Berkeley2006年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)是關(guān)于：

NobelprizeforBigBangresearch第二十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五J.MatehrandG.SmootJ.Matheretal.,1990,Astrophys.J(Letter)354,37;G.Smootetal.,1992,Astrophys.J(Letter)396,1第二十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五NobelPrize10-5K第二十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五4.3宇宙演化與原初核合成1.物質(zhì)與輻射(1)物質(zhì)主導(dǎo)與輻射主導(dǎo)宇宙宇宙中的物質(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ρM≈(0.3-0.4)ρc=(0.3-0.4)×10-29gcm-3>ρR

≈4×10-34gcm-3→目前的宇宙是物質(zhì)主導(dǎo)的第二十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

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?！谟钪嬖缙谑禽椛渲鲗?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幾千年左右。第二十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五物質(zhì)的創(chuàng)生在極高溫度下，高能光子的相互碰撞會(huì)產(chǎn)生正負(fù)粒子對(duì)

起點(diǎn)溫度： 電子~6×109K

質(zhì)子~1013K正負(fù)粒子對(duì)湮滅會(huì)產(chǎn)生光子如果正負(fù)粒子對(duì)產(chǎn)生的速率與湮滅速率相等，稱它們處于熱平衡狀態(tài)。正負(fù)粒子存在微小的不對(duì)稱性，隨著宇宙的膨脹與冷卻，絕大部分粒子湮滅，極少量多余的正粒子構(gòu)成了今天的物質(zhì)世界。第二十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五2.宇宙的演化歷史

輻射相（0-103yr）(1)Planck時(shí)代未知物理理論（量子引力論）宇宙大小約為0.01cm。引力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁力統(tǒng)一為一種力。t~0-10-43sρ~∞-1092gcm-3T~∞-1032K第二十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

輻射相（0-103yr）(2)大統(tǒng)一理論時(shí)代當(dāng)t=10-43s,T=1032K,引力與其他力分離。強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁力統(tǒng)一(GUT)。

t~10-43-10-34sρ~1082-1072gcm-3T~1032-1027K第二十八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

輻射相（0-103yr）(3)重子時(shí)代重子和輕子處于熱平衡狀態(tài)t=10-10s,T=1015K,弱相互作用力與電磁力分離。t=10-4s,T<1013K,重子形成過程結(jié)束。t~10-35-10-4sρ~1072-1013gcm-3T~1027-1012K第二十九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

輻射相（0-103yr）(4)輕子時(shí)代輕子處于熱平衡狀態(tài)。當(dāng)t=102s,T<109K,正負(fù)電子對(duì)形成過程結(jié)束。t~10-4-102sρ~1013-101gcm-3T~1012-109K第三十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

輻射相（0-103yr）(5)核時(shí)代恒星演化理論可以較好地解釋宇宙中重元素的豐度。但輕元素豐度的理論與觀測值不符，特別是氦元素豐度比理論預(yù)計(jì)高25%。這部分氦元素豐度被認(rèn)為是宇宙早期的原初豐度。通常將宇宙早期比氫元素更重的元素形成過程稱為原初核合成。t~102s-103yrρ~101–10-16gcm-3T~109–6×104K第三十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)t=102s,T=109K,宇宙中的可見物質(zhì)包括電子、質(zhì)子和中子，其中質(zhì)子與中子數(shù)目比為5:1。質(zhì)子與中子結(jié)合形成氘核

1H+neutron2H+E但氘核一旦形成，就被高能光子瓦解，這個(gè)階段稱為氘瓶頸當(dāng)t=2

min,T=9×108K,氘核可以穩(wěn)定地形成，并通過核反應(yīng)迅速生成氦核。第三十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五核反應(yīng)的結(jié)果是，在幾分鐘內(nèi)，幾乎所有的中子被消耗光，宇宙中的可見物質(zhì)只有質(zhì)子、氦核和電子。由于宇宙的膨脹和冷卻，氦核無法通過核反應(yīng)生成更重的元素。當(dāng)t=103s,T=3×108K，宇宙元素豐度確定。 核合成開始時(shí)質(zhì)子與中子數(shù)目比為7:1 →質(zhì)子與氦核的數(shù)目比為12:1 →氦豐度25%第三十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五恒星內(nèi)部核合成產(chǎn)生極少量的氘，因此觀測到的宇宙中的氘主要來自原初核合成。宇宙密度越高，粒子與氘的反應(yīng)越多，氘豐度越低。目前對(duì)理論與觀測的氘與氫的豐度比為10-5-10-4，要求重子物質(zhì)的密度為臨界密度的1%-1.6%?？紤]暗物質(zhì)，Ω0≈

0.3-0.4 →暗物質(zhì)不可能主要由重子物質(zhì)構(gòu)成。原初核合成的元素豐度第三十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

物質(zhì)相(6)原子時(shí)代物質(zhì)開始在宇宙中占主導(dǎo)地位。高溫使得氫和氦處于電離狀態(tài)，大量的自由電子導(dǎo)致光子的自由程極短。當(dāng)溫度降至約幾千

K，電子與原子核結(jié)合形成原子當(dāng)T

≈4500

K，宇宙主要由原子、光子和暗物質(zhì)構(gòu)成。

t~103-106yrρ~10-16–10-21gcm-3T~6×104–103K第三十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五自由電子與原子核結(jié)合形成原子（復(fù)合）使得光子可以自由地運(yùn)動(dòng)（僅有特定波長的光子被吸收），稱為輻射與物質(zhì)（重子）退耦，宇宙變得透明。今天觀測到的微波背景輻射就是輻射與物質(zhì)脫耦最后時(shí)期的宇宙輻射。第三十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

物質(zhì)相(7)星系時(shí)代星系與大尺度結(jié)構(gòu)形成，宇宙在宏觀上開始表現(xiàn)不均勻性。類星體和第一代恒星開始出現(xiàn)。t~106-109yrρ~10-21–3×10-28gcm-3T~103–10K第三十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

物質(zhì)相(8)恒星時(shí)代恒星持續(xù)形成。行星和生命開始出現(xiàn)。t~109->1010yrρ~3×10-28–10-29gcm-3T~10–3K第三十八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五第三十九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五宇宙演化史第四十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五4.5宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成1.物質(zhì)不均勻性的形成條件在脫耦前，輻射和正常（重子）物質(zhì)是凍結(jié)在一起的。(1)強(qiáng)烈的輻射阻礙物質(zhì)的引力收縮。(2)如果星系起源于宇宙早期正常物質(zhì)的密度漲落，這種漲落也應(yīng)該造成微波背景輻射的漲落。正常物質(zhì)的密度擾動(dòng)必須在復(fù)合時(shí)代才能開始增長。由微波背景輻射允許的密度不均勻根本不足以在已有的時(shí)間內(nèi)形成星系和星系團(tuán)。第四十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五2.

暗物質(zhì)暗物質(zhì)是宇宙的主要成分，暗物質(zhì)的密度漲落應(yīng)該在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成中其主要作用。暗物質(zhì)只有弱作用和引力作用。由于暗物質(zhì)與輻射場之間沒有耦合，因此暗物質(zhì)的凝聚可以在輻射與正常物質(zhì)脫耦前發(fā)生，暗物質(zhì)的密度漲落也不會(huì)影響微波背景輻射的各向同性。第四十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)與星系形成 宇宙開始包含均勻分布的暗物質(zhì)和正常物質(zhì)。 大爆炸后數(shù)千年暗物質(zhì)開始成團(tuán)。 暗物質(zhì)確定宇宙中物質(zhì)的總體分布和大尺度結(jié)構(gòu)。 正常物質(zhì)在引力作用下向高密度區(qū)域聚集，形成星系和星系團(tuán)。第四十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五100Mpc1.5Mpc暗物質(zhì)暈宇宙結(jié)構(gòu)的形成的數(shù)值模擬（20%HDM,80%CDM,Ω0=1）暗藍(lán)（平均密度）→綠→黃→紅→白（100平均密度）第四十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)暈（DarkHalo）宇宙的基本構(gòu)成單元：星系第四十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五4.5：幾個(gè)前沿問題4.5.1暗物質(zhì)4.5.2暗能量4.5.3暴漲宇宙第四十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五4.5.1暗物質(zhì)第四十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五原初核合成和CMB給出重子物質(zhì)密度0.6<h<0.8WBh2

0.023,WB

0.04第四十八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五結(jié)構(gòu)形成理論種子：密度的量子漲落WM

>0.2,WB

0.04在物質(zhì)主導(dǎo)的時(shí)期，小的密度漲落被放大；若物質(zhì)只為重子物質(zhì)則速度太慢，至今還沒有形成星系等結(jié)構(gòu)形成理論要求非重子物質(zhì)1978:"fortheirdiscoveryofcosmicmicrowavebackgroundradiation"2006:"fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation"第四十九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五宇宙學(xué)尺度上的暗物質(zhì)mh2=0.135+-0.009m=0.27+-0.04WMAPCombinedfit:第五十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五星系質(zhì)量的測定質(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/cm3光度方法第五十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五動(dòng)力學(xué)方法VeraRubin：observestars第五十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五星系質(zhì)量的測定ObservegalaxyrotationcurveusingDopplershiftsin21cmlinefromhyperfinesplittingObservestars第五十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五用動(dòng)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)光結(jié)論第五十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五星系團(tuán)質(zhì)量的測定VirialtheoremU=2K

K=mivi2

U~GM2/RComacluster在1933年Zwicky估計(jì)一星系團(tuán)Coma星團(tuán)總物質(zhì)量在星系運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上接近星團(tuán)的邊緣。當(dāng)他將這個(gè)質(zhì)量與一個(gè)以星系數(shù)目和星團(tuán)總亮度來比較，他發(fā)現(xiàn)存在比預(yù)計(jì)多400倍的質(zhì)量。

第五十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五X-ray

星系團(tuán)的質(zhì)量hydrostaticequilibriumbetamodel:However,X-rayemissionmeasuresthetemperatureandM/Mvisible=20第五十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五強(qiáng)引力透鏡第五十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五弱引力透鏡RXJ1347.5-1145(Bradacetal2005)Imageellipticity->shear->inverttheequation第五十八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五NASA/ChandraPressRelease,August21,2006

子彈星系團(tuán)：兩個(gè)相撞的星系團(tuán)DMv.s.MOND第五十九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)存在!宇宙物質(zhì)的80%以上為非重子物質(zhì)各個(gè)尺度的天體系統(tǒng)中暗示有“不發(fā)光”的物質(zhì)，暗物質(zhì)主導(dǎo)了結(jié)構(gòu)形成由這類物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)可測其總量或空間分布概況不發(fā)光的物質(zhì)，非重子物質(zhì)是什么？I：暗的天體II：奇特的非重子物質(zhì)第六十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五I：MACHOSMAssiveCompactHaloObjects”orMACHOs低質(zhì)量M矮星,褐矮星,大行星等探測途徑：恒星的引力透鏡效應(yīng)銀河系中已經(jīng)探測到的MACHOs數(shù)目并不能提供足夠的暗物質(zhì)第六十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五II：暗物質(zhì)---粒子？粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型費(fèi)米子（組成物質(zhì)的基本粒子）玻色子（攜帶相互作用的粒子）重子物質(zhì)（常規(guī)物質(zhì)）第六十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五第六十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五中微子暗物質(zhì)?假定宇宙熱歷史殘留下來的中微子帶有質(zhì)量（滿足其他的限定）

但是中微子速度近光速，為相對(duì)論性粒子

中性的，只參與弱力和引力第六十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五抹平小尺度擾動(dòng)

Neutrinosmovefastandtendtowipeoutthedensitycontrast.熱暗物質(zhì)：太慢形成引力束縛態(tài)系統(tǒng)中微子第六十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五冷暗物質(zhì)WIMPDarkMatter：MassiveWeaklyInteractingParticleBeyondStandModel穩(wěn)定的，電中性的大質(zhì)量，弱相互作用第六十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五超對(duì)稱模型第六十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五超對(duì)稱模型的預(yù)言第六十八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五加速器實(shí)驗(yàn)—尋找SuperPartnerFermiLab：TevaTronCERN：LHC第六十九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五DarkMatterZooSupersymmetry:(LSP)LightestKKtechni-baryonsgravitino,axino,invisibleaxionWIMPZILLAS………………….基本特點(diǎn)：宇宙學(xué)時(shí)間尺度上穩(wěn)定。參與引力作用，無電磁相互作用非重子物質(zhì)非相對(duì)論性運(yùn)動(dòng)第七十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五宇宙中WIMP熱遺跡AtT>>m,AtT<m,AtT~m/22,，退偶WIMPisanaturaldarkmattercandidategivingcorrectrelicdensity(proposedtryingtosolvehierarchyproblem).Thermalequilibriumabundance熱遺跡密度：第七十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)探測手段衛(wèi)星空間探測地下直接探測地面探測高空氣球探測對(duì)撞機(jī)探測第七十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五直接探測與間接探測第七十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)地下探測第七十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)的直接探測原理圖第七十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五四川錦屏山隧道四川省錦屏山地形示意圖

CMDS-IIDAMA,Xenon第七十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)間接探測第七十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五恒星尺度太陽系第一代恒星鄰近的中子星星系尺度鄰近矮橢球星系：WilliamI鄰近不規(guī)則矮星系：LMC銀河系：銀心；銀暈星系團(tuán)尺度宇宙背景光從輻射強(qiáng)度比較到關(guān)聯(lián)函數(shù)譜的比較鄰近的coma等探測對(duì)象第七十八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)的間接探測：信號(hào)？探測相應(yīng)的末態(tài)粒子末態(tài)粒子在傳播過程中誘發(fā)的電磁信號(hào)第七十九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)高能中微子：AMAND,IceCube；高能光子：MAGIC,HESS,VERITAS;MILAGRO；

AGRO；

EGRET；FERMI；高能帶電粒子：HEAT,AMS；

PAMELA,ATIC，F(xiàn)ERMI；

第八十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五間接探測暗物質(zhì)

關(guān)鍵在于如何區(qū)分眾多的天體信號(hào)找傳統(tǒng)天體過程不活躍的系統(tǒng)

鄰近的小尺度星系找暗物質(zhì)密度高，湮滅信號(hào)強(qiáng)的地方

暗物質(zhì)暈中心：如最近的銀河系中心第八十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五空間間接探測帶電粒子PAMELA（2008）正電子超出反質(zhì)子無超出第八十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五正負(fù)電子總流強(qiáng)ATIC（紫金山天文臺(tái)常進(jìn)）FermiLAT正負(fù)電子超出，有結(jié)構(gòu)正負(fù)電子超出，無明顯結(jié)構(gòu)第八十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五HESS正負(fù)電子超出，無明顯結(jié)構(gòu)紫金山天文臺(tái)常進(jìn)主持的暗物質(zhì)探測衛(wèi)星項(xiàng)目預(yù)計(jì)2014年第八十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五e(cuò)^+-:SZeffectICSemissionSynchrotronemissionHowtomodelthetransportprocess正負(fù)電子Multi-wavelength?Colafrancesco,IoP/RASMeeting2007第八十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五X-rayradioγ-ray復(fù)雜熱鬧的銀河系中心radio第八十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五Fermi-LAT光子第八十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五我們的研究：低頻窗口（射電波段）？第八十八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五我們研究的對(duì)象：

鄰近的小尺度星系HighlatitudeHighestmass/light第八十九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五GMRT@Indian

30dishesof45mdiametereach(14incenter&16outerY)150MHz,68’,1.5mJy235MHz,44’,0.6mJy325MHz,32’,0.3mJy610MHz,17’,0.02mJy1420MHz,7’,0.03mJy第九十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗物質(zhì)研究小結(jié)滿足宇宙學(xué)和理論粒子物理要求的暗物質(zhì)模型的粒子屬性仍然是個(gè)謎。多種探測手段的綜合是趨勢現(xiàn)代宇宙學(xué)的基本組分中80%以上的質(zhì)量為非重子物質(zhì)，主導(dǎo)宇宙層級(jí)結(jié)構(gòu)的形成不同尺度的天體系統(tǒng)（從星系到星系團(tuán)）都是由暗物質(zhì)主導(dǎo)的，暗物質(zhì)主要顯現(xiàn)其引力效應(yīng)第九十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五4.5.2暗能量第九十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五2011年度諾貝爾物理獎(jiǎng)SaulPerlmutterAdamRiessBrianSchmidt他們研究了幾十個(gè)稱為‘超新星’的爆炸星球，并發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹（1998年）第九十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五膨脹1929哈勃定律（星系的整體退行）哈勃常數(shù)H0是河外星系推行速度同距離的比值，可以表示宇宙膨脹率。值為73.8公里/秒·百萬秒差距，這意味著一個(gè)星系距離地球每增加百萬秒差距（3.26百萬光年），它離我們而去的速度每秒就增加73.8公里。

河外星系的視向速度與距離的關(guān)系第九十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五標(biāo)準(zhǔn)燭光“量天尺”造父變星約幾千萬光年內(nèi)星體的距離更亮的“燭光”更大尺度上的距離測量“Ia型超新星”第九十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五Ia型超新星白矮星會(huì)通過引力，從它的伴星身上竊取氣體

當(dāng)白矮星超過1.4倍太陽質(zhì)量，它就會(huì)爆炸，變成一顆Ia型超新星。

第九十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五Ia超新星即爆炸中的恒星，它發(fā)出的亮度是幾十億顆恒星亮度的總和。第九十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五如何尋找Ia型超新星1980年代丹麥天文學(xué)家兩年的時(shí)間內(nèi)只找到2顆第九十八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

20世紀(jì)90年代中期，美國的兩個(gè)相互競爭的超新星研究小組對(duì)一批高紅移的Ia型超新星做了仔細(xì)的測量。一個(gè)是SaulPerlmutter

領(lǐng)導(dǎo)的“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”組（1988年）；另一個(gè)是BrianSchmidt領(lǐng)導(dǎo)（AdamRiess

）的“高紅移超新星搜尋組”（1994年）照相----圖像---視亮度---距離光譜---譜線---紅移---退行速度第九十九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五加速膨脹！發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)處的超新星偏離預(yù)期越暗，顯示越遠(yuǎn)第一百頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五十三年來，科學(xué)家又觀測了許多Ia型超新星，總數(shù)達(dá)幾百顆，對(duì)其分析也更加深入，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示宇宙目前的約四十億年正在加速膨脹(a)宇宙的膨脹速度正隨時(shí)間減慢，(b)宇宙正加速膨脹，即以往宇宙膨脹的速度小於現(xiàn)在宇宙膨脹的速度。

為什么？第一百零一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五mM斥力組分v.s引力組分第一百零二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗能量的提出：負(fù)壓強(qiáng)。（注意：輻射w=1/3,物質(zhì)w=0)宇宙學(xué)常數(shù)對(duì)應(yīng)的w=-1斥力組分:暗能量第一百零三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五斥力組分v.s引力組分第一百零四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

暗能量理論模型簡介

1）宇宙學(xué)常數(shù)（真空能）2）動(dòng)力學(xué)場：精質(zhì)（Quintessence，Phantom,Quintom……）→不同模型預(yù)言的w演化行為不一樣

暗能量是宇宙學(xué)常數(shù)？還是動(dòng)力學(xué)的？認(rèn)識(shí)暗能量首要任務(wù)：基于天文觀測數(shù)據(jù)、開展整體分析、確定暗能量狀態(tài)方程宇宙學(xué)常數(shù)問題！第一百零五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五暗能量研究小結(jié)暗能量的理論模型很多（宇宙學(xué)常數(shù)；動(dòng)力學(xué)場），需要更精確的觀測認(rèn)證。觀測發(fā)現(xiàn)宇宙的加速膨脹要求有暗能量的存在。暗能量貢獻(xiàn)的是負(fù)壓?，F(xiàn)階段研究暗能量的關(guān)鍵在于確定其狀態(tài)方程W（z）？---我國的天籟項(xiàng)目第一百零六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五宇宙組分分配

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%）第一百零七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五BeforeWMAPWMAPHighprecision

精確宇宙學(xué)的誕生第一百零八頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五21世紀(jì)物理學(xué)v.s19世紀(jì)物理學(xué)物理學(xué)正是一片晴空，但也還有兩朵烏云：“以太”與“黑體譜”——導(dǎo)致了世紀(jì)性的革命

——相對(duì)論與量子力學(xué)?，F(xiàn)在也有兩朵烏云（三朵？四朵？）：“暗能量”與“暗物質(zhì)”——會(huì)導(dǎo)致什么？109第一百零九頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五分類獲獎(jiǎng)人項(xiàng)目恒星H.Bethe恒星能源(1967)S.Chandrasekhar恒星結(jié)構(gòu)與演化(1983)W.A.Fowler元素恒星起源(1983)脈沖星A.Hewish脈沖星(1974)R.Hulse，J.Taylor雙星脈沖星(1993)宇宙學(xué)A.A.PenziasR.W.Wilson微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)(1978)J.C.MatherG.F.Smoot微波背景輻射黑體譜與各向異性(2006)S.PerlmutterB.Schmidt,A.Riess宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)(2011)新窗口H.Alfvén磁流體力學(xué)(1970)M.Ryle綜合孔徑(1974)R.DavisJr.M.Koshiba宇宙中微子(2002)R.GiacconiX射線天文(2002)第一百一十頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

所謂暗物質(zhì)、暗能量就是非常稀奇的事物，這里面 我想是可能引出基本物理學(xué)中革命性的發(fā)展來的……

假如一個(gè)年輕人，他覺得自己一生的目的就是要做革 命性的發(fā)展的話，他應(yīng)該去學(xué)習(xí)天文物理學(xué)。

——

楊振寧

現(xiàn)在對(duì)科學(xué)的最大的挑戰(zhàn)，已不僅是那些已知的物質(zhì)。因?yàn)樵谖覀冎赖奈镔|(zhì)之外，還有暗物質(zhì)、暗能量。所以我們要立足新的基礎(chǔ)科學(xué)前沿，一定要將小的與大的聯(lián)系起來，這個(gè)方法可稱為“整體統(tǒng)一”。我認(rèn)為，“整體統(tǒng)一”的科學(xué)方法，應(yīng)該是21世紀(jì)最重要的科學(xué)方法。

——

李政道第一百一十一頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五4.5.3暴脹宇宙第一百一十二頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五1.視界與平直問題視界問題微波背景輻射是高度各向同性的，→整個(gè)宇宙應(yīng)該具有相同的溫度。但宇宙的不同區(qū)域處于各自的視界之外，如何進(jìn)行信息交換？如大統(tǒng)一時(shí)代的視界為3×10-26cm，遠(yuǎn)小于宇宙尺度3cm。

光子在目前宇宙視界上相對(duì)兩點(diǎn)間的運(yùn)行時(shí)間超過宇宙年齡第一百一十三頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五

平直問題目前宇宙密度參數(shù)Ω0的值接近于1，說明宇宙是平直的?！谟钪嬖缙冢?應(yīng)該極其接近于1為什么宇宙是平直的？第一百一十四頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五2.暴脹宇宙物質(zhì)相互作用的四種力 強(qiáng)度 作用 范圍(m)強(qiáng)相互作用力1 束縛核子 10-15電磁力 1/137 束縛原子 ∞弱相互作用力10-5 引起放射性10-17重力 6×10-39

束縛宏觀物體∞第一百一十五頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五大統(tǒng)一理論(GUT)認(rèn)為在極高的溫度下，強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁相互作用力是統(tǒng)一的。當(dāng)t=10-35s,T

降至1028K以下，強(qiáng)相互作用力與其他力分離。 在t=10-35-10-32s階段，宇宙經(jīng)歷暴脹，尺度增大~1050倍。暴脹結(jié)束后，宇宙膨脹恢復(fù)到原來的速度。第一百一十六頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五對(duì)視界和平直問題的解釋

即使宇宙早期位形是高度彎曲的，經(jīng)過暴脹會(huì)變?yōu)槠街?。宇宙起源于一個(gè)極小的區(qū)域（比經(jīng)典大爆炸模型?。?，在暴脹前宇宙的大小遠(yuǎn)小于視界大小，因而具有相同的溫度，暴脹后的宇宙依然具有相同的溫度。第一百一十七頁，共一百二十四頁，編輯于2023年，星期五TopQuark,HiggsPhysics和宇宙學(xué)（ElectroweakBaryogenesis)Whynoanti-matter-------Baryo/Leptogenesis三個(gè)條件：1）B破壞（Sphaleron)2）CandCP破壞(