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1、宇宙大爆炸宇宙大爆炸彭秋和彭秋和( (南京大学天文系南京大学天文系) )太阳系木星土星天王星海王星水星金星地球火星类地行星类木行星日地距离日地距离 (1 AU-天文单位天文单位)L 1.51013 厘米 = 1.5 亿公里T 3.1107 秒 (1年)地地球球L离我们最近的恒星L 31018 厘米 4.3 光年 2.7 105 天文单位(AU)LCentauri Proxima(半人马座)比邻星银河系我们在此8.6 kpc 2.8 x 104 ly10 25 厘米几千个星系星系集团 (Hercules)最遥远的星系L 1026 厘厘米米TL 3 1015 sLSource: Hubble Sp
2、ace Telescope web page (Courtesy NASA) 宇宙大尺度结构(bubbles 200 Mly across)可见宇宙的大小可见宇宙的大小L 1028 厘米TL 31017 s 1010 yrSource: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA) Hubble 距离距离宇宙膨胀宇宙膨胀的的发现发现HubbleHubble的发现的发现 - - 宇宙膨胀宇宙膨胀光谱线的光谱线的DopplerDoppler位移位移: :光源接近我们时，光谱线向兰端位移光源接近我们时，光谱线向兰端位移( (兰移兰移)()(光波波长变
3、短光波波长变短) )光源远离我们时，光谱线向红端位移光源远离我们时，光谱线向红端位移( (兰移兰移)()(光波波长变长光波波长变长) )V:V:光源相对于我们的速度光源相对于我们的速度( (远离为正远离为正, , 接近为负接近为负); c:); c:光速光速 在在19241924年年HubbleHubble观测发现河外星系以后观测发现河外星系以后, ,他开始研究河外星系的光他开始研究河外星系的光谱。他惊奇地发现谱。他惊奇地发现: :除了最近的少数几个河外星系外，几乎所有较除了最近的少数几个河外星系外，几乎所有较遥远的遥远的河外星系的光谱线全部都呈现向红端位移的现象，而且，距河外星系的光谱线全部
4、都呈现向红端位移的现象，而且，距离愈遥远的星系，谱线红移量离愈遥远的星系，谱线红移量(z)愈大，几乎与它们的距离成正比。愈大，几乎与它们的距离成正比。所有遥远的河外星系的光谱线全部都在远离我们运动，而且距离愈所有遥远的河外星系的光谱线全部都在远离我们运动，而且距离愈远的星系，远离速度愈快。远的星系，远离速度愈快。 宇宙正在膨胀宇宙正在膨胀 (Lematire, 1927)H: Hubble常数常数物理本质物理本质 宇宙学红移宇宙学红移光子的波长随着宇宙的膨胀在同步膨胀。光子的波长随着宇宙的膨胀在同步膨胀。如何看待宇宙学红移与如何看待宇宙学红移与Doppler红移？宇宙学红移是不是红移？宇宙学红
5、移是不是Doppler红红移移?引力红移引力红移引力红移引力红移Einstein的静态宇宙模型的静态宇宙模型19151915年年EinsteinEinstein建立广义相对论建立广义相对论物质物质引力引力时时空弯曲空弯曲19171917年，年，EinsteinEinstein将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构。在将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构。在假设宇宙是无限大的、均匀的前提下，假设宇宙是无限大的、均匀的前提下，EinsteinEinstein发现方程的解是发现方程的解是不稳定的，表明宇宙要么在膨胀或者要么在收缩。不稳定的，表明宇宙要么在膨胀或者要么在收缩。为求出引力场方程的均匀的
6、和各向同性的静态解，为求出引力场方程的均匀的和各向同性的静态解， EinsteinEinstein加入加入一个起斥力作用一个起斥力作用“宇宙常数宇宙常数”项项, ,得到一个静态宇宙模型。得到一个静态宇宙模型。19221922年，俄国数学家年，俄国数学家A. FriedmanA. Friedman求得不含求得不含“宇宙常数宇宙常数”项的引力项的引力场方程的均匀的和各向同性的通解。场方程的均匀的和各向同性的通解。在这个模型中宇宙是膨胀的，在这个模型中宇宙是膨胀的，膨胀膨胀宇宙的演化取决于宇宙中的物质宇宙的演化取决于宇宙中的物质自引力或密度自引力或密度的大小的大小。“我这一生最大的错误就是错误地引进
7、了宇宙常数项我这一生最大的错误就是错误地引进了宇宙常数项”(Einstein)(Einstein) 21 21世纪初天文学家发现宇宙加速膨胀世纪初天文学家发现宇宙加速膨胀, , Einstein Einstein 的宇宙常数项的宇宙常数项 成了现代宇宙学研究的中心环节成了现代宇宙学研究的中心环节 宇宙暗能量的研究宇宙暗能量的研究 (2002(2002年以来年以来) )LemaitreLemaitre的原始原子理论的原始原子理论19271927年，比利时传教士和天文学年，比利时传教士和天文学家家G. G. LematireLematire重新得到重新得到EinsteinEinstein引力场方程
8、的引力场方程的FriedmanFriedman解。解。LematireLematire指出哈勃观测到的宇宙指出哈勃观测到的宇宙膨胀现象正是膨胀现象正是EinsteinEinstein引力场方程引力场方程所预言的。因此，过去的宇宙必定所预言的。因此，过去的宇宙必定比今天的宇宙占有较小的空间的尺比今天的宇宙占有较小的空间的尺度、物质更有序。最理想的有序状度、物质更有序。最理想的有序状态莫过于整个宇宙的物质包含在一态莫过于整个宇宙的物质包含在一个原子里。因此、宇宙有一个起始个原子里。因此、宇宙有一个起始之点，称为之点，称为“原始原子原始原子”。Abbe George LeMaitreThe fath
9、er of the The father of the Big Bang cosmologyBig Bang cosmologyHubbles 1929 dataDistance (Mpc)Velocity (km/sec) 宇宙的年龄是有限的，它有一个起点。 星系退行速度和星系距离成正比 所有的天体在远离我们而去， 宇宙在膨胀。1929年，哈勃仅用24个星系的观测资料，做出了距离与视向速度的关系图。Hubble定律假设宇宙匀速膨胀（速度不随时间发生变化），由此可以得到星系退行的时间， t = d /V =1/ H0 150 亿年 （ H0 65 km/s/Mpc ）宇宙热大爆炸理论宇宙热大爆
10、炸理论及其及其残存的宇宙热残存的宇宙热( (微微波波) )背景辐射背景辐射Gamow 的宇宙热大爆炸模型的宇宙热大爆炸模型Hubble 定律告诉我们，我们所处的宇宙正在膨胀说明宇宙早期是高温、高密的状态1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源于约150亿年前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空间膨胀（宇宙是无中心的）。随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形成 。George Gamov“- - ”理论能解释氘和氦的形成它最初主要观念是它最初主要观念是: :宇宙宇宙( (包括地球、行星、太阳、恒星和星际物质包括地球、行星、太阳、恒星和星际物质) )的所有
11、较重的化学元素起源于宇宙热大爆炸时代核合成的过程。的所有较重的化学元素起源于宇宙热大爆炸时代核合成的过程。- - 主要目标是错误的。但宇宙热大爆炸模型是辉煌不朽的。主要目标是错误的。但宇宙热大爆炸模型是辉煌不朽的。宇宙膨胀物理规律宇宙膨胀物理规律同模同模( (均匀均匀) )膨胀规律膨胀规律: :单位体积辐射能：单位体积辐射能： 单位体积物质静止能单位体积物质静止能: : 宇宙半径宇宙半径(或任两点间距离或任两点间距离)随时间膨胀随时间膨胀: (当当 t 增长增长) ( (当当 t t 增加长增加长) )宇宙极早期宇宙极早期, 物质处于高温、高密度状态物质处于高温、高密度状态 宇宙热大爆炸宇宙热
12、大爆炸 物质为主与辐射为主的宇宙 宇宙中的物质包括可见物质与暗物质 辐射主要来自微波背景辐射 M (0.3-0.4) c = (0.3-0.4) 10 -29 g cm-3 R T TR4 / c2 = 4.810 -34 g cm-3 目前的宇宙是物质主导的 物质与辐射密度的演化宇宙膨胀导致物质与辐射密度随时间减小。同时辐射还由于宇宙膨胀发生红移。因此辐射密度比物质密度随时间减小得更快。在宇宙早期是辐射主导的。辐射主导与物质主导时期的分界约在宇宙年龄为几千年左右。物质密度随红移的演化关系为现在时刻宇宙的临界密度为（取k、为零时）为讨论方便通常引入密度参量Friedmanns equation
13、显然可以改写为宇宙微波背景辐射的理论预言宇宙微波背景辐射的理论预言(1948)(1948)Gamow 的宇宙热大爆炸学说曾预言:宇宙大爆炸后，早期宇宙产生的热辐射经宇宙膨胀后遗留下 5 K 的微波背景辐射。 遗憾遗憾: :当时未引起物理学家和天文学家的重视与承认。原因原因: : 1) 1)Gamow学说的重点在于宇宙中所有较重的化学元素主要起源于 宇宙热大爆炸。后来的研究表明：这是错误的。 2)2)理论学家和实验家(天文观测学家)互不了解、互不沟通信息。 3) 3) 宇宙早期理论当时被当作天方夜谈式的幻想!天文光谱学观测的早期发现天文光谱学观测的早期发现(1941)(1941)蛇夫座星3875
14、 吸收线(星际 CN分子吸收线)的观测研究发现:它实际上为几条光谱线。谱线R(0)为从基态向高 能级的跃迁P(1)、R(1) 两条谱线对应于从分子的第一激发态向高能级的跃迁分子振动分子振动能级跃迁能级跃迁分子分子转动转动能级能级跃迁跃迁0.132cm0.264cm0.066cmR(0)P(1)R(1)R(2)J=3J=2J=1J=0J=3J=2J=1J=03873.369 3873.998 3875.763 3874.603 推论推论如果星际空间背景为0 K, 则CN分子只能处于基态。而P(1)、R(1)谱线的存在表明有一定数量的分子处于第一激发态。这是由于受到相当于2.3 K的辐射的激发 2
15、.3 K的辐射(黑体辐射)对应于光波波长为0.624cm微波波区这表明星际空间可能充满了2.3 K的背景辐射。遗憾遗憾: 当时的天文观测者对膨胀宇宙学毫无了解。他们并未作当时的天文观测者对膨胀宇宙学毫无了解。他们并未作出宇宙学的结论。出宇宙学的结论。宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射宇宙大爆炸理论的观测检验宇宙大爆炸理论的观测检验发现Gamov, Alpher和Herman 预言5-50K的宇宙大爆炸的残余背景辐射。1964年Dicke, Peebles, Roll和Wilkinson计算得到背景辐射为温度10 K的黑体辐射。1965年Penzias和Wilson在7.35厘米波长发现宇宙背景中
16、存在温度为3.5 K、各向同性的 黑体辐射。它被证实为宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background)1978 Nobel Prize winners宇宙微波背景宇宙微波背景特点特点1989年宇宙背景探测仪（COBE）对0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景辐射进行观测 高度各向同性（为宇宙学原理提供了强有力的支持） COBE观测结果，微波背景的辐射温度为 2.7280.004 K WMAP观测结果为 2.7250.002 K宇宙暗物质问题宇宙暗物质问题暗物质?星系团的质量星系团的质量动力学质量动力学质量:动力学平衡动力学平衡:离心力离心力= (牛顿牛顿)引力引力光度质量
17、光度质量:天文观测发现天文观测发现: (1940s)对星系团对星系团:矛盾矛盾: 丢失的质量丢失的质量 Missing mass 暗物暗物质宇宙的物质组成及含量 银河系以及其它旋涡星系的观测发现存在平直旋转曲线（延伸到发光区以外很远的地方），这表明星系内部存在有巨大的、由暗物质组成的晕。 对星族 II 系统的动力学示踪以及为解释麦哲伦流的形态及动力学，均表明银河系90%以上的质量由暗物质组成。大、小麦哲伦云有一个共同的中性H包层，并向银河系延伸形成麦哲伦流。 在星系组成的系统中的暗物质主要是通过分析本星系群内部成员星系的时变性；研究双星系以及星系群内成员星系的动力学特征；以及星系团内部热气体的
18、X-射线辐射等。为了束缚热气体，星系团内必定包含大量暗物质星系Abell 2390（上）和MS2137.3-2353 （下）的X射线（右）与光学（左）像。气体与恒星的质量仅为束缚气体所需质量的13% 暗物质的组成(What is the nature of Dark Matter?)观测表明：visible matter 0.01 baryons 0.04 dark matter 0.3BBN + CMB重子暗物质(a) 低光度恒星和恒星演化的残存天体(b) 固体小天体(c) 中性和离子化气体(d) 大质量黑洞非重子暗物质Massive neutrinoWIMPsAxionsNeutralin
19、os新物理修正了的引力模型引力透镜俘获或观测湮灭谱线 按照退偶时粒子的能量与其静止质量相比较，天文学家把假想的暗物质候选体分为三大类：热暗物质热暗物质 (HDM)：如中微子，粒子质量很小，速度接近光速的粒子。 温暗物质温暗物质 (WDM)： 冷暗物质冷暗物质 (CDM)：如axion(?)，photino，粒子质量较大、速度较慢。 暗物质很可能同时包括热暗物质和冷暗物质重子暗物质非重子暗物质暗能量此外，观测以及理论表明：visible matter 0.01 baryons 0.04 dark matter 0.3 T 1 BBN + CMBInflationMissing energy co
20、mponent ！利用利用SNIa 的观测的观测确定确定遥远宇宙的距离遥远宇宙的距离超新星分类超新星分类1. 核心坍缩型超新星核心坍缩型超新星(SNII、SNIb,、SNIc)2. 吸积白吸积白矮星的矮星的热核爆热核爆炸型超炸型超新星新星(SNIa)Ia 型超新星型超新星 (SNIa )爆发原因爆发原因当吸积白矮星质量超过极限质量当吸积白矮星质量超过极限质量(Chandrasekhar 质量质量):广义相对论效应广义相对论效应(引力明显超过牛顿引力引力明显超过牛顿引力)引起吸积白矮星坍缩。引起吸积白矮星坍缩。在白矮星坍缩过程中，密度、温度急剧上升。当温度上升到在白矮星坍缩过程中，密度、温度急剧
21、上升。当温度上升到2 108K以上时，点燃爆炸性的以上时，点燃爆炸性的C燃烧，导致燃烧，导致热核爆炸型超新星。热核爆炸型超新星。即即导致导致SNIa 爆发的主要因素是广义相对论效应。爆发的主要因素是广义相对论效应。整个星体整个星体热核爆炸热核爆炸, 全部炸光。中心不遗留致密残骸。全部炸光。中心不遗留致密残骸。爆炸抛射物爆炸抛射物( 104 公里公里/秒秒)向外扩张逐渐形成星云状的超新星遗迹。向外扩张逐渐形成星云状的超新星遗迹。宇宙学中的宇宙学中的标准准烛光光 SNIa SNIa 各个各个SNIa 光光极大时的光度几乎相同，可以当作标准烛光。极大时的光度几乎相同，可以当作标准烛光。 视亮度视亮度
22、=光度光度(真亮度真亮度)/D2由天文（测光）观测可以测定由天文（测光）观测可以测定SNIa 光极大时的视亮度光极大时的视亮度( (视视星等星等) )测定极遥远星系的距离测定极遥远星系的距离SN SN I Ia a 探测的宇宙学意义探测的宇宙学意义SN SN I Ia a 光变光变曲线的重要特征曲线的重要特征: :几乎所有的几乎所有的SN SN I Ia a 光变曲线形状以及光谱都非常相似光变曲线形状以及光谱都非常相似观测发现所有的观测发现所有的SN SN I Ia a在光在光极大时的绝对星等都相近极大时的绝对星等都相近: :标准烛光标准烛光 M M绝对星绝对星等等 - 20- 20m m ;
23、 M ; M绝对星等绝对星等 = -2.5 log= -2.5 log10 10 L L 即即, , 所有的所有的SN SN I Ia a在光极大时的光度在光极大时的光度(L)(L)都几乎相等。都几乎相等。原因原因: :所有的所有的SN SN I Ia a 都是当吸积白矮星的质量增长都是当吸积白矮星的质量增长ChandrasekharChandrasekhar临界质量临界质量 M Mchch= 5.86Y= 5.86Ye e2 2 M M条件下呈现爆发。引力束缚能相同。条件下呈现爆发。引力束缚能相同。反映了它们爆炸时热核燃烧性质及爆燃反映了它们爆炸时热核燃烧性质及爆燃( (爆轰爆轰) )波传播
24、性质相近。波传播性质相近。SN SN I Ia a 距离的确定距离的确定 M M绝对星等绝对星等 = m + 5 = m + 5 log D(pc) log D(pc) A + K A + K A: A: 星际消光使视星等变暗星际消光使视星等变暗; K:; K:星系红移引起的视亮度变化星系红移引起的视亮度变化从从SN SN I Ia a 视视亮度亮度( (视星等视星等) )的测量可以确定它的寄主星系的距离的测量可以确定它的寄主星系的距离(D)(D)。可以更准确地确定遥远可以更准确地确定遥远 星系红移星系红移 距离关系。距离关系。Ia型超新星宇宙学的历史型超新星宇宙学的历史Phillips (1
25、993)Phillips (1993)观测研究提出了观测研究提出了IaIa型超新星的标准烛光关系型超新星的标准烛光关系 m m1515 是是SNISNIa a 光极大后光极大后1515天内亮度下降的幅度。天内亮度下降的幅度。a a和和b b是两是两个参数，由低红移的超新星定出。这就是超新星中的内禀个参数，由低红移的超新星定出。这就是超新星中的内禀关系。关系。( (理论上并未证明理论上并未证明) )。 利用这个关系利用这个关系, ,RiessRiess et al. (1998) et al. (1998)和和PerlmutterPerlmutter et et al. (1999)al. (1
26、999)发现宇宙在加速膨胀，表明宇宙的大量能量以发现宇宙在加速膨胀，表明宇宙的大量能量以暗能量的形式存在暗能量的形式存在宇宙暗能量宇宙暗能量 M+ k+ = 1,平直空间平直空间, k=0, k =0 M+ = 1SN SN I Ia a 探测探测 0.7 , M 0.3“可见物质可见物质”( (正常粒正常粒子子) / ) / 暗物质暗物质( (冷暗物冷暗物质质) ) 15 30 % 宇宙以暗能量为主宇宙以暗能量为主! ! 暗能量暗能量是是?首先用首先用4m4m望远镜监测发现超望远镜监测发现超新星，立即用新星，立即用KeckKeck的的10m10m反射反射望远镜精细观测并拍摄它的望远镜精细观测
27、并拍摄它的光谱。可以发现和精细观测光谱。可以发现和精细观测非常遥远非常遥远(Z= 0.3 (Z= 0.3 2.0) 2.0)星星系中爆发的系中爆发的SNISNIa a, , 由上述方由上述方法校准光度并测定距离后，法校准光度并测定距离后，就可以测定宇宙膨胀的减速就可以测定宇宙膨胀的减速因子因子(q(q0 0) )和宇宙常数和宇宙常数 。2001-20022001-2002年年, , 美国几个特美国几个特大型地面望远镜对大型地面望远镜对3030多个多个SN SN I Ia a ( (在光极大前开始在光极大前开始) )进行探进行探测，测定它们的距离，发现测，测定它们的距离，发现目前宇宙正处于加速膨
28、胀阶目前宇宙正处于加速膨胀阶段。段。宇宙暗能量宇宙暗能量核天体物理学核天体物理学同同( (理论与实验理论与实验) )核物理学核物理学( (包括粒子物理学包括粒子物理学) )相关的天体物相关的天体物理研究领域。理研究领域。主要内容主要内容: : 恒星内部热核燃烧与演化研究恒星内部热核燃烧与演化研究 元素核合成研究元素核合成研究 1)1)宇宙早期核合成研究宇宙早期核合成研究( ( A12 轻元素核合成轻元素核合成) ) 2) 12A 70) )核合成核合成: : a) a) 慢中子俘获过程慢中子俘获过程( (s- -过程过程);); b) b) 快中子俘获过程快中子俘获过程( (r- -过程过程)
29、;); c) c) 快质子俘获过程快质子俘获过程( (rp过程过程) )(续)星系化学演化学星系化学演化学 星际空间中各种放射性核素的天体来源星际空间中各种放射性核素的天体来源; ; 各种星体元素丰度反常的物理原因各种星体元素丰度反常的物理原因 陨石化学异常陨石化学异常 的研究的研究 两类超新星两类超新星( (及新星及新星) )爆发物理学爆发物理学IIII型型x x射线暴机制射线暴机制 暴机制暴机制 中子星中子星( (内部内部) )物理学和奇异星的研究物理学和奇异星的研究太阳中微子问题太阳中微子问题 超高能宇宙线的天体起源超高能宇宙线的天体起源我所涉及研究课题我所涉及研究课题一、超新星爆发机制
30、问题一、超新星爆发机制问题IIII型超新星的爆发机制问题型超新星的爆发机制问题?(?(我的新观点与新建议我的新观点与新建议(2004)(2004)I Ia a 型型超新星的爆发研究中的疑难问题？超新星的爆发研究中的疑难问题？二、脉冲星（中子星）研究的重大疑难问题二、脉冲星（中子星）研究的重大疑难问题磁星及其活动性的物理本质磁星及其活动性的物理本质? ?（我的新模型（我的新模型,200,200）高速中子星的物理本质高速中子星的物理本质? ?（我的新模型（我的新模型, 2003, 2003）脉冲星脉冲星 GlichGlich 的本质的本质? ?（我的新模型（我的新模型, 2004, 2004， 2
31、00200 ）三、有关元素核合成的疑难问题三、有关元素核合成的疑难问题星际星际2626AlAl天体起源问题天体起源问题?（我的观点（我的观点, 1992 , 1992 , 2006, 2006）极遥远类星体光谱中的金属元素起源问题（极遥远类星体光谱中的金属元素起源问题（ 200200） ?四、四、 极端超高能宇宙线天体起源问题极端超高能宇宙线天体起源问题? ? （我的模型（我的模型, 2002), 2002)五、太阳中微子问题与中微子振荡五、太阳中微子问题与中微子振荡! !（ 1919 200200）六、三维六、三维( (非侧向非侧向) )旋涡星系厚度测定及其厚度效应的研究旋涡星系厚度测定及其厚度效应的研究 ( (彭秋和彭秋和, 1978-2007) (, 1978-2007) (星系天文学星系天文学) )8.6 kpc 2.8 x 104 光年
