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1、宇宙学：回顾与展望陆 埮（中国科学院紫金山天文台）,Feynman 名言,“物理学家具有这样的习惯，对于任一类现象，研究它们的最简单例子，把这称为物理，而把更复杂的情况，看作其它领域的事。” R. P. Feynman,2,支配宇宙的力,Newton万有引力： Einstein广义相对论： 的故事,1,牛顿力学不能描述宇宙,Olbers Paradox Seeliger Paradox 不管宇宙有限还是无限，牛顿力学均不能描述宇宙。广义相对论可以描述宇宙。,宇宙学原理,宇宙在大尺度上是各向同性的、均匀的。 宇宙没有中心，也没有边界。 在任何一个典型星系上观测宇宙及其规律都是一样的。 宇宙在大尺
2、度上可以看作一个以星系或星系团作为“分子”的均匀气体。 起初，Einstein只把它看作一个简化假设。 后得到大尺度观测的支持。 最终得到微波背景辐射观测的高精度的证实。,2,宇宙膨胀的发现,3,哈勃发现,宇宙膨胀导致的红移,哈勃关系的宇宙膨胀解释,r(t),R(t),Milky Way 观察者,宇宙膨胀允许超光速,星系能否超光速退行?,10,高红移哈勃定律,按 Doppler效应： 按宇宙膨胀解释 :,哈勃年龄（1/H0）,必有诞生时刻,今天,真实年龄小于哈勃年龄,1929年，哈勃本人首次给出H0500（km s-1 Mpc-1）,1936年，哈勃考虑到星际消光的影响，将哈勃常数改 为H0=
3、526, 误差15%。（由此给出的宇宙哈勃年龄很短， 只有H0-1 = 1.84108 年。）,1956年，Humasion等人给出H0 = 180。,1961年，Sandage等人给出H0 = 9815。,1970s年， Sandage等人给出H0 = 50.34.3; de Vaculear等人给出H0 = 100 10。,哈勃常数测定的变迁,目前（2002）值：H0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 1/H0=(1.38 0.14)1010 年,大爆炸宇宙学的提出,4,大爆炸宇宙学的提出Gamow: 1946-48,宇宙诞生于高温高密状态。 膨胀带来宇宙的演化，从高温
4、、高密绝热膨胀降温、降密，经历各个演化阶段。 可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、各种物理过程的发生以及引起的各种观测特征。 大爆炸学说给出了宇宙的极为丰富而且确定的物理内容，可供实在的观测检验。,宇宙的演化,描述物态的变化 两个判据： 成分判据： 1)粒子 2)束缚态 表明i粒子大量存在；j粒子合成 热平衡判据： 表明i粒子能保持热平衡,元 素 起 源,5,太阳系元素丰度（按 原子数计，以Si=106 归一）。 Martin Harwit： Astrophysical Concepts 4th Edition，Springer,恒星开普勒-11，有6颗行星（均比地球大） 。可以有多达3颗行星
5、同时凌星。此恒星离太阳2000光年。,2010年8月26日,开普勒空间望远镜2010年3月升空,有3颗具有 氢和氦大气， 类天王星。,开普勒-11恒星的6颗行星中有5颗（均比地球大），它们与恒星的距离均比水星到太阳的距离小。,2010年8月26日, 核合成温度： 4He丰度： 基本上是 ，但要作中子衰变等修正。 与观测结果相符得很好。,核合成时代,6,4He 原初核合成,中微子脱耦,原初核合成,衰变,温度下降,原初核素成分的演化,时间与效率,宇宙早期许多事情均发生在极短时间内。 宇宙头3分钟及时保存了中子。 重要的是效率，而不是时间。 从物理上看，效率决定于碰撞次数。宇宙早期，高温高密，碰撞十
6、分频繁，正是高效时期，完全可以理解。 例：煤燃烧高温高效。,中子是放射性的： 寿命1刻钟,复合时代,复合温度 Tr 3000 K (宇宙年龄38万岁) 等离子体状态转化为中性原子气体 宇宙变成透明 按 ，复合时代的辐射成为今天的2.7 K微波背景辐射。,7,微波背景辐射是什么？,电视机屏幕上在没有节目时呈现的雪花噪声中就包含有微波背景辐射,无处不在！ 微波背景辐射是宇宙38万岁时从3000度的高温等离子体状态转化为中性气体而遗留下来的残留余辉，现在的温度只有约2.725度。 它是宇宙中最完美的黑体辐射。,微波背景辐射高度各向同性19641965,A.A. Penzias，R.W. Wilson
7、：3.51.0 (7-cm处),From Scott Kay Lecture,1978获诺贝尔奖,COBE FIRAS成果（J. Mather et al. 1990, ApJL, 354, 37）,9分钟内即测得宇宙微波背景辐射的完整的黑体谱：,196465,这张图 涉及两个 诺贝尔奖,COBEDMR成果(G. Smoot et al. 1992, ApJL, 396, 1),在不同的方向上，果然发现有10-5大小的温度起伏，不同的颜色代表不同的温度。 这是所能看到的宇宙的最早图象。好比看到了“上帝”的脸。 分辨率低。,今天,幼年,2006 获诺贝尔奖,微波背景辐射的各 向异性：COBE （
8、上）；WMAP （下）全天图。 WMAP的分辨率 和灵敏度远高于 COBE。 Freedman & Turner, 2003, astro-ph/0308418,COBE & WMAP,32,宇宙幼年（38万岁）的三张照片,33,3.5K 各向同性 1978诺贝尔奖,2.725K 各向异性10-5 2006诺贝尔奖,2.725K 分辨率10-6 2010邵逸夫奖,Bell,表 天体物理领域获诺贝尔物理奖的8个年度、11个天体物理项目、15位天体物理学家,3,4,4,5,10,9,4,暗 物 质,8,光度方法与力学方法,用力学方法测出的质量往往比用光度方法测出的质量大得多，有量级之差。 测量范围
9、越大，差别越大 存在暗物质（可大1个量级）: 有引力，却不发光,星系旋转曲线,观测结果,计 算 结 果,Chandra X射线卫星观测到的子弹星系团。发光的是重子物质，曲线 代表用引力透镜观测到的引力等势面。显见发光物质和引力等势面定 出的质心并不重合，这是暗物质存在的直接证据。 见毕效军、秦波，物理，2011，40卷，13,Bullet Cluster,D. Clowe, ApJ, 2006, 648: L109,暴胀宇宙学的提出,9,暴胀宇宙学,大爆炸宇宙学获得巨大成功，仍存在三大困难： 1）均匀宇宙与因果性困难； 2）平直性困难； 3）磁单极子困难。 对大爆炸宇宙学的“微创手术”：暴涨宇
10、宙学。 暴胀预言：宇宙是平直的，即宇宙物质总密度等于临界密度：,暴胀宇宙示意,宇宙膨胀： 加速还是减速,10,彷徨与徘徊几十年,宇宙膨胀究竟减速还是加速？万有引力只允许减速。 减速因子观测分歧很大，矛盾百出！,Ia型超新星,当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。,找到了 标准烛光 光源,18个Ia型SN的平均峰值绝对星等：MB = -19.330.25 （Y.Wang, 2000, ApJ. 536. 531）,重要发现： 加速膨胀！,暗 能 量,11,暗能量的提出,暗能量的提出：负压强。 真空中的能量。新物态。 宇宙学常数：,宇宙成分分配 Ost
11、riker & Steinhardt, 2003, Science, 300, 1909,暗能量：73%；暗物质：23%； 发光物质：0.4%（恒星和发光气体0.4%；辐射0.005%）； 不可见的普通物质： 3.7%（星系际气体3.6%； 中微子0.1%；超重黑洞0.04%）,2006年度邵逸夫天文奖$1,000,000,奖给宇宙加速膨胀的发现,Saul Perlmutter， Adam Riess， Brian Schmidt,斯德哥尔摩10月4日电(记者刘仲华)瑞典皇家科学院4日宣布，将2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家索尔 珀尔马特Saul Perlmutter 澳大利亚科学家布赖
12、恩施密特Brian Schmidt 和美国科学家亚当里斯Adam Riess 以表彰他们“通过观测遥远的超新星而发现宇宙正在加速扩张”这一重大发现。 今年诺贝尔物理学奖奖金仍为1000万瑞典克朗（约148万美元）,小 结,宇宙学红移是由宇宙膨胀造成，而非由于Doppler效应。 宇宙膨胀的发现表明，宇宙有诞生的时刻。 宇宙诞生时刻的存在，表明有大爆炸的演化历程。 成分判据和平衡判据，给出了演化历程的各个阶段。 原初核合成和微波背景辐射的发现给出了大爆炸宇宙学的两大强有力的证据。 微波背景辐射获得两次诺贝尔奖：1978，2006，+2011 暗物质的发现。 暴胀宇宙的提出。 宇宙加速膨胀的发现和暗能量的提出。 精确宇宙学的获得。,现代宇宙学的演化全貌,52,
