第二十章天体和宇宙1

引言:宇宙是什么?第二十章天体和宇宙Aristotle:geocentric亚利士多德地心说地球是球形的,其他星体围绕其作圆周运动Ptolemy(50~170A.D.):geocentric托勒密托勒密提出了运行轨道的概念,发明了本轮均轮模型,且运用数学计算行星的运动。随着对于行星运动观测资料的增多，本轮增加到了八十多个。Copernicus(1473-1543):heliocentriccosmology哥白尼日心说太阳是行星系统的中心,一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星，有自转也有公转。历史上重要的科学巨人KeplerGalileoNewtonEinstein•我们在宇宙中的位置地球是太阳系九大行星之一太阳是银河系一颗普通恒星银河系是本星系团（LocalGroup）重要成员之一本星系团处于室女星系团(VirgoCluster)外围我们处于宇宙中极其普通的位置!人类的伟大在于她的智慧。迄今为止，人类对于浩大勃深的宇宙具有了极其深入的理解。宇宙学原理宇宙在大尺度上是均匀及各向同性的，没有任何一个观测者在宇宙中占有特殊的位置（空间）将宇宙学原理扩展到时间维，则为静态宇宙理论：没有一个时间是特殊的CosmologicalPrinciple:Theuniverseasawholeisisotropicandhomogeneous,andnoobserveroccupiesapreferredpositionintheuniverse*perfectcosmologicalprinciple:inspaceandintime------SteadyStateTheory膨胀的宇宙宇宙学原理告诉我们宇宙的几何可以表示为（四维时空）R(t):宇宙尺度因子k:宇宙曲率2222222222sin1)(drdrkrdrtRdtdsk=0k=1k=-1宇宙学的理论基础为爱因斯坦的广义相对论。宇宙中的物质组成决定了宇宙的几何及随时间的演化。爱因斯坦：静态宇宙---宇宙学常数宇宙的膨胀Hubble（哈勃）哈勃发现星系退行速度与其距离成正比H0:哈勃常数哈勃的估算为:这里rHv0MpcskmH//500~0cmMpc241031宇宙年龄可以估算为将哈勃得到的数值带入这一年龄小于测量的天体的年龄10~Htyrt9102~SteadyStateTheory(稳态宇宙）宇宙膨胀，物质不断产生，使得宇宙在任何时间呈现出相同的状态*需要一个大能源*很难解释宇宙微波背景辐射Gamow热大爆炸理论（1948）元素合成发生于大爆炸后几分钟之内DickeandPeebles:宇宙微波背景辐射的存在重要里程碑：（1）1929哈勃等：发现宇宙膨胀（2）1965Penzias&Wilson:发现微波背景辐射（3）宇宙中氢、氦丰度宇宙演化热历史宇宙学现状宇宙学从早期的哲学、宗教探索已经发展成为一门可以被检验的科学。宇宙学感兴趣的空间尺度从极小（10-33cm)到极大（1028cm)，相应的能量范围为(1019GeV–1meV).随着观测技术的发展，对宇宙的科学认识程度远远超出了一般人的想象。（1）宇宙的整体性质物质组成暗能量：~70%非重子暗物质：~26%重子物质：~4%其中可见物质~0.5%辐射：~0.005%宇宙在膨胀，且其膨胀速度越来越快，即宇宙今天在加速膨胀！(2)宇宙中的各种结构，如星系、星系团等是从宇宙早期微小不均匀性通过引力不稳定性发展演化而来。•科学挑战暗能量的本质暗物质的发现星系形成的物理过程冷暗物质的小尺度问题第一代结构形成超大质量黑洞与星系形成的物理。。。。。。2006年诺贝尔物理学奖微波背景辐射和热大爆炸宇宙学MicrowavebackgroundRadiation2006年物理学诺贝尔奖•两位诺贝尔奖获得者：1.JohnMather,SeniorastrophysicistatNASA’sGoddardSpaceFlightCenter2.GeorgeSmoot,ProfessorofPhysicsatUniversityofCalifornia,Berkeley•2006年物理学诺贝尔奖是关于：NobelprizeforBigBangresearchJ.MatehrandG.Smoot左边的是JohnC.Mather，来自NASAGoddardSpaceFlightCenter；GeorgeF.Smoot，来自UniversityofCalifornia。获奖原因fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation。大概应该翻译成：因他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。JohnC.MatheratNASA.J.Matheretal.,1990,Astrophys.J(Letter)354,37;G.Smootetal.,1992,Astrophys.J(Letter)396,1宇宙论：从宏观到精密——2006年诺贝尔物理学奖2006年10月3日，瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予美国宇航局哥达德空间飞行中心的约翰·马瑟和加州大学伯克利分校的乔治·斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们利用COBE（宇宙微波背景探索者）卫星进行的非常细致的观测，被誉为现代宇宙论发展成一门精密科学的起点。首次发现宇宙微波背景辐射是在1964年。美国贝尔电话实验室的两位科学家阿罗·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊为此获得1978年诺贝尔物理学奖。他们起初曾将这种辐射误为是自己的接收机上不相关的噪声(实际上,宇宙微波背景是每当我们的电视机正常传输中断时接受到的那种“雪花”噪声的一部分)。但是,早在1940年代，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼就做出了微波背景的理论预言，对后来关于宇宙起源的持续讨论作出了重要贡献。当时主要有两种宇宙学理论在互相竞争:或者宇宙在最初的大爆炸中诞生然后继续膨胀,或者它总是处于在一种稳恒状态。大爆炸图景实际上预言了微波背景辐射的存在,因此，彭齐亚斯和威尔逊的发现自然让那种理论格外令人可信。宇宙论基本概念Themaincontents•1。大爆炸宇宙学•2。早期宇宙概况•3。几个简单公式•4。光子的退耦•5。光子的背景辐射•6。多极各向异性和星系形成条件•7。宇宙中正反物质的不对称的形成•8。暗物质与暗能量•9。粒子物理，LHC与ILC•10。展望热大爆炸宇宙学•1。热大爆炸宇宙学•宇宙介质可以看成由星系为“分子”所构成的“气体”，宇宙学原理认为宇宙介质在大尺度下是均匀的。•Hubble膨胀•哈伯发现星系对银河中心的退行速度与距离成正比Hubble定理1+z是红移，是光的Doppler效应，v是天体相对我们地球观测者的速度，Hubble观测到的公式仅是近似。但这个观测的意义是否定了静止宇宙的理论，指出宇宙在膨胀，从而导致了热大爆炸理论。宇宙学•H是hubble常数•牛顿认为成团•爱因斯坦开始认为静止宇宙•宇宙应起源于120－150亿年前，能量高度密集的小区域通过热大爆炸形成今天的观测宇宙。宇宙形成于热大爆炸•2。早期宇宙概况（1）远古的宇宙中不可能有星系（2）星系是均匀宇宙气体碎裂的产物微小扰动会发展成局域结团（3）膨胀的宇宙来自大爆炸（密度，温度无限？）“BigBang”!（4）强子，质子，中子从夸克产生，是宇宙演化的产物，E＝200MeV(T=1012K)t=10-4s（5）化学元素也是演化的产物,E=1-10MeV(T=1010K)3-30min（6）原子和分子是宇宙演化中产生的,E＝13.6eV(T=104K)几个简单公式•3。几个简单公式•爱因斯坦广义相对论空间,时间和物质,真空能的关系λ为宇宙常数RW度规几个简单公式•起到斥力的作用，和普通物质的引力正好相反。•在辐射为主的早期宇宙•在物质为主的今天宇宙Decoupling•4。光子的退耦•原子的复合过程气体中的电子在与质子的热碰撞中会结合成氢原子，同时放出光子，这过程是可逆的。氢的结合能是13.6eV,要把氢电离，光子能量要大于它。只要高能光子足够多，反过程的发生率大于宇宙膨胀率，电离和复合达到统计平衡。Decoupling•当温度下降后，(T=1eV),高能光子处于Planck分布的高频尾巴，•能量超过13.6eV的光子只有10－4，但光子数比质子数多9个量级，因而一个氢核仍被105高能光子包围，不会出现中性氢。但温度出现在指数上，温度再下降不多，但氢核周围的高能光子迅速减少，在T＝1eV下复合过程变得重要。｀Planck分布Planck分布中的高能光子数Temperature今天的背景光子温度在复合时的红移,那时宇宙年龄大约为2X105年在这段时间内变化非常快DecouplingofPhoton•等离子体气体中光子的退耦光子主要是和自由电子散射每个光子在单位时间内的碰撞次数是在复合开始后自由电子密度的骤然下降使光子碰撞频率下降,光子开始退耦.光子得完全退耦•退耦的发生使碰撞率Γ与宇宙膨胀率H竞争的结果当复合率Xp=0.1(np/(np+nH))时Γ/H=15,90%原子已复合,但仍有足够的自由电子以维持光子的热平衡,退耦发生在复合之后当Xp=4X10-3时光子退耦,2.4X105年,从这时起光子成了无碰撞组分,它将在由中性原子组成的气体中飞行,当然它今天应当存在。黑体辐射•黑体辐射光在黑体中多次散射，成热平衡状态。黑体辐射的光源是t=2.4X105年时星系为形成前中性原子气体由于这个最后散射面是均匀且等温，观测到的背景辐射应高度各向同性。由于光子从有频繁碰撞到失去碰撞的转化很快，从最后散射面放出的光子动量分布是Planck分布。我们看到的黑体辐射就是宇宙光子背景辐射。一个故事那么今天的Teff大约为2.3-2.7K发现和证实：Princeton大学的Dicke和Peebles认识到背景辐射对热大爆炸宇宙学的重要，准备寻找，Penzias和Wilson在调试频率为4080MHz的角形天线，在没有信号时测定了本底，拟合温度为T(θ)=(4.4+2.3secθ)K发现它是无法排除的来自远处的噪声。从而得到诺贝尔奖。但它仅是一个频率上的，由于实验很困难，大气影响很难排除，不能在地球上完成新的Nobel奖这是COBE测量的最后结果。在星系形成后的宇宙中，不同部分有了不同温度，宇宙介质已没有了统一的热平衡。例如太阳的热辐射谱合黑体辐射谱相差很大。只有在早期，宇宙才能是整体达到高度热平衡的系统。背景辐射谱与黑体辐射谱的高度一致指出它是来自早期宇宙，支持了热大爆炸理论。星体起源•COBE的另一个结果多极各向异性（偶极各向异性主要是由于银河系运动产生的红移改变）预示宇宙介质不能完全均匀。早期宇宙各处温度和密度有微小起伏，它是后来结构形成的种子。正是因为这种小起伏，由引力构成今天的星体。Nobel奖的工作•然而从1977年起的十年中，分析四极各向异性的强度，受到精度限制得到零的结果。到80年代末，这上限异缩小到如果测量精度再高一个数量级后仍然得到零结果，那么这样过小的密度起伏奖来不及再今天形成星系，也就没有我们了。COBE使用仪器DMR在1992年测到了微波背景温度的四极各向异性为完全支持了热大爆炸宇宙学理论。宇宙中元素•大爆炸核合成BBN这是一个比较复杂的核反应链但大爆炸理论预言中子数与质子数之比为1：7，这个比例是由于中子与质子的质量差为1.29MeV，转化停止的冻结温度为0.8MeV。这结果意味今天He丰度为质子的1/4。测量之为大约0.23-0.25。正反物质不对称性7。宇宙中正反物质的不对称性观测宇宙中只有质子，中子和带负电的电子，而不存在它们的反粒子。从热大爆炸理论它们应该存在。Sakharov提出三个必须的条件1存在破坏重子数（轻子数)守恒的相互作用2CP破坏3宇宙对热平衡的偏离（至少在演化某一阶段）AMS计划但也存在其他可能性，反物质存在于我们广阔