茫茫宇宙谁主沉浮ppt课件

第六章 茫茫宇宙谁主沉浮 相对论宇宙学概述 1 广义相对论的大尺度 印证 1.1 光线弯曲和引力透镜效应 1.2 引力辐射 1.3 天文新发现 1.1 光线弯曲和引力透镜效应 1936年，爱因斯坦公布了一项 简单的计算，表明如果两颗离 地球远近不同的恒星在星图上 完全重合，即两颗恒星与地球 在一条直线上， 那末远星被近 星遮住，然而远星会形成一个 环 。远星发出的光锥面会聚到 地球上；近星就如凸透镜一般 。 由于轴对称的缘故，地面观 察到的是远星的环形像，被称 作爱因斯坦环。 至 70年代末 在大熊星座 中发现了引 力透镜系统 。 1987年希维 特等人在狮 子星座里发 现一巨大的 明亮弧光。 1.2 引力辐射 1. 以光速传播； 2. 携带场的能量、动量和辐射源的有关信息； 3. 是横波，在辐射源的远处都是平面波； 4. 引力辐射极弱，其强度只有电磁辐射的 1037分 之一； 5. 引力辐射的穿透力强。 引力辐射的性质 ： 接收到的辐射能量随着与辐射源之间的距离增大 而减小， 引力波携带的辐射能量与离辐射源的距 离的 7/2次方成反比 。 巨大质量的天体之激烈活动可发出较强的引力波 ： 双星的公转，中子星的自转，超新星爆发，黑 洞等致密天体的形成、碰撞及其捕获、抛射物质 的过程等 都可作为探得其引力辐射的候选者。 图为 双星 系统 引力辐射导致的 轨道变化现象被 认为是 带走了能 量之故其发出的 引力辐射 。 引力辐射一旦完 全证实，将会开 辟一个新的通信 技术领域，从而 对信息科技产生 意想不到的影响 。 1.3 天文新发现 普通的恒星若核能耗尽，就会 冷下来，变成 红巨星 ，自引力 引起红巨星坍缩，变成温度甚 低的 白矮星 ，其密度相当大， 约为 105 107克 /厘米 3。白矮星 再坍缩，形成 中子星 。中子星 的密度甚大，约为 1014 1015克 / 厘米 3。中子星继续坍缩，成为 一种异常天体，这就是最致密 的天体 黑洞 ，其相对论效 应当然最为强烈。 普通的恒星，譬如太阳，温度很高，无时无刻不 在放出光芒，其能量来源是其内部的核聚变，由 此释放出大量的原子核能。 然而，倘若核能耗尽 ，恒星就会冷下来，变成红巨星。 于是自引力会转为上风，在其作用下恒星便会坍 缩。 这是 20世纪上半世纪对于天体演化已经探明 了的结果。 红巨星坍缩，变成温度甚 低的白矮星，其密度相当 大，约为 105 107克 /厘米 3 。 白矮星 天狼星 白矮星再坍缩，其组成物质的原子内的电子被强引 力压入原子核，于是整个星球俱由简并中子构成， 故而称为中子星。中子星的密度甚大，约为 1014 1015克 /厘米 3。 中子星 黑洞 是在一特殊的 大质量超巨星 坍塌时产生的。位 于恒星中心的铁核在自身重量的作用下迅速地收缩 ，发生强烈爆炸。在 中子星 情况下，当核心中所有 的物质都变成中子时，坍塌过程立即停止，被压缩 成一个密实的星球。但在 黑洞 情况下，由于恒星核 心的质量大到使坍塌过程无休止地进行下去，中子 本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末， 剩下的 是一个密度高到难以想象的物质，这就是黑洞。 2 标准宇宙模型 2.1 宇宙学原理和宇宙膨胀假说 2.2 宇宙红移及其哈勃定律 2.3 有限无界动态宇宙模型 2.1 宇宙学原理和宇宙膨胀假说 一、宇宙学原理 宇宙在大尺度上的物质密度完全均一； 物质分布的均匀性亦就包含了各向同性。 换言之，宇宙的所有空间点都 完全等价 ；从每一 点向个方向看出去， 性质也完全一致 。 宇宙学原理允许宇宙了的物质的均一密度随时间 而变， 即该密度对于时间可能并非均一 。 基于此 原理的宇宙时空度规，是带有随时间 t而变的宇宙 标度因子 R(t)的动态度规。即 R-W度规 R(t)乃指 宇宙的特征尺度 ，常常简称 宇宙 “半径 ”。 二、宇宙膨胀假说 1922年，前苏联数学家弗里德曼从相当对称的 R- W度规出发 ，由爱因斯坦的引力场方程导出 宇宙 动力学方程 ： 为 宇宙间的物质密度 ， k取常数 +1， 0， -1分别对 应于三种常曲率的三维子空间： 正曲率的超球面 、零曲率的平直空间、负曲率的超双曲面 。 求解宇宙动力学方程 ： 1.当 k=-1， 0时，宇宙 一直膨胀。 是开放式的宇宙演化 模式 。 2.当 k=+1时，宇宙先膨 胀然后收缩，脉动式 的循环往复。 是闭合型的宇宙演化 模式 。 对于宇宙里的物质密度 ，存在一临界值 临界 密度 ： 其中 H是 哈勃常数 ，若 c或 c即宇宙演化模 式分别为 闭合型或开放型 。 宇宙究竟以何种模式演化，取决于宇宙里物质密 度的大小。 2.2 宇宙红移及其哈勃定律 一、哈勃定律 早在 1910年 1920年间，美国天文学家斯里弗发 现， 许多星云的光谱有相当大的红移，意味着这 些星云在向远离我们的方向运动。 例如：室女座 中星云的远离速度约为 1000公里 /秒。处在不同方 位上的星系都普遍存在红移。 由气球膜的二 维曲面的膨胀 可以想象到宇 宙，即三维超 曲面的膨胀和 收缩运动 1929年，哈勃宣布用他 的距离测量法得到了 星 系的红移 (多普勒速度 ) 与距离成正比关系。 哈勃定律 ： v为星系的退行速度， l为星系到地球的距离， H为 哈勃常数。 H5.5厘米 (秒 秒差距 )-1 二、宇宙的年龄 1930年， 哈勃 的估计是 10亿年。帕洛马山 200英寸 望远镜建成， 巴德 在 1952年用新的望远镜发现， 哈勃用以计算距离的标准取得不对，哈勃没有分 清存在着两类周期性的变星，以至他所得到的距 离比实际的小 2.6倍。 1958年， 桑德奇 进一步发现 ，哈勃把遥远星系中的 H 区误认为最亮星，这 又使哈勃的距离标准比实际值小了 2.2倍。用新的 哈勃常数计算宇宙年龄，结果约是 150200亿年。 宇宙的年龄指以宇宙从开始膨胀为起点的年龄。 桑德奇 测定的哈勃常数受到了怀疑。以 弗里德曼 女士为首的一个 15人小组发展了一个估计哈勃常 数的新方法，测得的哈勃常数比桑德奇的值大得 多，宇宙年龄为 80120亿年。但这一结果也存在 问题，因为已知的一些老年星被认为至少有 140年 。 关于宇宙的年龄究竟多少，目前尚未有定论。 三、宇宙大爆炸 “宇宙大爆炸 ”的假说： 膨胀着的宇宙起始于大爆炸 ，随着大爆炸。现存的物质和时空一起诞生了， 逐渐形成今日之宇宙。 宇宙是弯曲的流型空间，每个星系看其它星系距 离都在增加，在每个星系看来，自己处于膨胀的 中心。 1965年，美国天文学家彭齐亚斯、威尔逊用高灵 敏度射电望远镜发现了 全宇宙空间具有 2.7K的微 波背景辐射，为大爆炸假说提供了有力的证据； 这种微波背景作为大爆炸的残余辐射， 具有高度 的各向同性 。 90年代，宇宙背景辐射探索者卫星 (COBE)的长期观测 以更高的精确度证实了背景辐 射的各向同性。 现代宇宙标准模型认 为： 大约 150亿年前的 某一时刻，宇宙开始 膨胀 （或称为大爆炸 ）。 在开始膨胀的那一时 刻， 宇宙以极高的密 度和极高的温度的状 态出现。 2.3 有限无界动态宇宙模型 一、动态的宇宙模型 标准宇宙模型的 理论依据是广义相对论，而前提 是宇宙学原理。 建立四维时空度规实际上先把三 维空间和一维时间分别加以考察，故而 动态 是其 主要特征； 在肯定空间高度对称性的同时揭示了 时间概念的方向性 ，即所谓 “时间箭头 ”的宇宙学意 义。 二、现代宇宙观 认为宇宙有限，宇宙除了有其内部的物质运动、 变化外， 还有其整体的运动、变化。 宇宙整体最 充分地展示了相对论时空观的要义： 绝对时空观 的摈弃；弯曲时空的建立；宇宙有限与黎曼型时 空结构相协调。 3 黑洞探索方兴未艾 3.1 黑洞、白洞，交相衬映 3.2 黑洞与时空结构的奇异性 3.3 黑洞探索的宇宙学意义 3.1 黑洞、白洞，交相衬映 黑洞 和 白洞 同为根据广义相对论而作出的猜测。 1916年解得的 施瓦氏度规 (S度规 )，是球对称物质 分布体系的引力场的静态时空度规，其动态修正 是 克鲁斯卡尔度规 ，由此而确定的时空结构称为 完全施瓦氏时空 (S时空 )。 完全 S时空结构包括两个宇宙以及黑洞、白洞两个 特殊区域。预示黑洞、白洞的存在。 黑洞 白洞 宇宙 I 宇宙 II 图为 S时空，其中隐 去了四维时空的两 个空间维。依照广 义相对论的推导， 这种 S时空出现两个 “球形 ”单向膜，半 径为 ： 其中 M是物质体系的质量； 任何信号 (包括实物粒 子和电磁辐射等 )通过此膜都是单方向的。 3.2 黑洞与时空结构的奇异性 广义相对论认为 ，引力实际上是 时空弯曲的表现 。这种时空的弯 曲程度在黑洞附 近表现得极其强 烈。 黑洞的边缘是一个被称为 “事件地平线 ”的球面。 在事件地平线处： 逃离速度等于光速。 在事件地平线内： 逃离速度大于光速。 在事件地平线外： 逃离速度小于光速。 一个观察者远离黑洞，他 看到的地平线似乎是一个 美丽、精致而且是静态的 球面。 一旦你接近这个地平线会发 现它正在以光速向外运动。 一旦你已经在地平线以内， 你会发现时空扭曲得非常厉 害。 3.3 黑洞探索的宇宙学意义 由于黑洞不可见，只能采用间接方式搜寻。 X射线 双星可能是认证恒星质量级黑洞存在的最好实例 。 根据亮度的不同，以及质量的差异和对黑洞视 界性质的测算，天文物理学