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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 ( 50 170 A.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): heliocentric cosmology 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 Kepler Gal
2、ileo Newton Einstein,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（Local Group）重要成员之一,本星系团处于室女星系团(Virgo Cluster) 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,Cosmological Principle: The universe as a w
3、hole is isotropic and homogeneous, and no observer occupies a preferred position in the universe * perfect cosmological principle: in space and in time - Steady State Theory,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,k=0 k=1 k=-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
4、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,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,Steady State Theory (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 Dicke and Peebles: 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）1965 Penzias G. Smoot
5、et al., 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
6、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The main contents,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
7、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
8、坦开始认为静止宇宙 宇宙应起源于120150亿年前，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？） “Big Bang”! （4）强子，质子，中子从夸克产生，是宇宙演化的产物， E200 MeV (T=1012K) t=10-4 s （5）化学元素也是演化的产物, E=1-10 MeV (T=1010K) 3-30 min （6）原子和分子是宇宙演化中产生的, E13.6 eV (T=104 K),几个简单公
9、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13.6 eV, 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
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T1eV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2 X105年,在这段时间内变化非常快,Decoupling of Photon,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与宇宙膨胀率H
11、竞争的结果 当复合率Xp=0.1(np/(np+nH) 时/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
12、。,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()=(4.4+2.3sec)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
13、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
14、，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1.29 MeV，转化停止的冻结温度为0.8 MeV。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
15、的相互作用 2 CP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宇宙的另一部分，它是和我们居住的部分完全分开的。那么就有可能一些暗物质颗粒会脱离它们的世界而飞到我们这儿来。我们的任务是找到它们。 AMS 计划 Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 由丁肇中领导的庞大的计划在太空中寻找反物质流。,宇宙学的困难,8。暗物质与暗能量 宇宙中可观测的发光物质，或重子物质只占宇宙总能量的5以下，暗物质（冷暗物质）占23，70以上是所谓的暗能量。 暗物质是什么？历史上开始认为是中微子（热暗物质），现在认为最可能是超对
16、称粒子neutralino， 或axion, axionino 等。 如何在地球上的探测器上检验暗物质流？,宇宙学的困难,方法是让暗物质粒子与探测器中质子或电子碰撞，我们测量带电的质子或电子的反冲轨道。测量是非常困难的。 1972年我国云南高山宇宙线观测站看到的一个特别事例。,宇宙学的困难,暗能量更是一个非常难以理解的问题 新的观测结果指出宇宙在加速膨胀！ 那么必须存在相当于斥力的作用，从前面公式可以看出，宇宙常数和真空能都可以起到斥力作用。但这有带来新的问题，(hierarchy problem)。是否应该有人择原理？新的探讨, quintessense, quintessensino, phantom, varying-mass neutrinos 等等,哲学，物理学,图：大蛇图 宇宙涉及是
