《理学宇宙学II》PPT课件.ppt

宇 宙 学 II,观 测 事 实 王慧元,天文观测的基本知识,了解天体信息的主要途径 : 辐射 我们接受到的光的强度不但取决于天体的发光能力，还依赖于大气对光的吸收、望远镜对光的接受效率以及能力,大 气 吸 收,射电、光学、近红外、硬gamma-ray波段可以在地面探测 其他波段只能在大气之上进行探测（卫星以及热气球）。,Filters,Photometric Observations(图像观测),主要用于研究星系形态、大尺度分布、内部空间分布以及动力学分布等,Photometric Observations,天体的图像的数学描述：表面亮度(surface brightness，简称s，s=erg s-1 cm-2 sr-1)随着方向的函数。 对s进行全方向积分可得到天体的流量(flux,f, f=erg s-1 cm-2) 天体的光度L=4r2f, L=erg s-1,由于历史原因，天体的流量（通常是光学波段、近红外以及近紫外）用视星等来表示： 类似的，光度可以用绝对星等来表示： 如果在超过两个波段观测，颜色：,r0=10pc,传统Vega (m=0),Spectroscopic Observations(能谱观测),可以用来研究星系的恒星以及气体组成、金属丰度、动力学结构、星系视向运动速度等等。,Spectroscopic Observations,数学描述：谱能分布(SED) (单位波长或者频率间隔内的流量)，其中： SED通常有三部分组成：连续谱、发射线谱以及吸收线谱。不同的连续谱以及谱线都对应着一定的辐射或者吸收机制因此SED中包含着大量的信息。,Doppler效应,假设一个原子通过能级跃迁释放出 来的光子的频率是 ，并且这个原子以速度v相对于观测者运动，那么观测者看到的光的频率是： 定义红移 假设产生辐射的气体粒子是随机运动的，并且运动速度服从分布 ，那么观测到的光子的频率分布 这些doppler效应一般通过发射线(吸收线)的移动或者展宽可以很好的测量,星 系 与 大 尺 度 结 构,银河系（The Milky Way）,太阳仅是约1010个恒星之一,1pc=3.26LY,太阳以220km/s的速度绕着银河转,其他星系,宇宙中存在着数不清的形态各异的星系,Hubble Sequence,Hubble首先按照几何形态把星系分为各种类型 早型星系 晚型星系,Hubble Sequence,椭圆星系(Elliptical galaxies): E0,E1E7，E后的数字=10(a-b)/b，a半长轴，b半短轴 旋涡星系(Spiral galaxies): 分为两个分支，棒旋星系和正常旋涡星系。每个分支又分为三个类型。判据是中心核球占总光度的比例以及旋臂的紧致程度等因素 Lenticular galaxies: 介于椭圆星系以及旋涡星系之间。主导的球成分加一个类似盘状结构。 Irregular galaxies: 既没有主导的核球结构也没有主导的盘结构。,Hubble之后，天文学家一直在发展和完善这种基于形态的分类方法。,椭圆星系的形态,椭圆星系的等表面亮度线 都可以用椭圆来描述 =00.7,大部分明亮的椭圆星系的 表面亮度轮廓可以描述为,Sersic model(尤其是对暗的椭圆星系) 并不是精确的椭圆,椭圆星系的动力学,Faber-Jackson relation 气体成分,很少尘埃与冷气体。有些围绕着扩展的热气体x-ray晕。,旋涡星系的形态,对于大多数旋涡星系，除了核球部分，其他部分（盘的部分）的面亮度可以用下式描述：,幂指数盘,旋涡星系中的气体,不同于椭圆星系，漩涡星系中的气体都是以中性H或者分子H的形式存在，显示这些气体的温度较低，且气体质量比例从早型星系(Sa)的5%到晚型星系(Sm)的25%。同时，漩涡星系中往往存在着大量的尘埃。,旋涡星系的动力学,漩涡星系盘中的恒星和气体围绕着盘轴转动。旋转速度可用光学发射线或者21cm线测量得到。,外部区域，旋转速度基本上是个常数，所以得到,Tully-Fisher relation,W等于2倍旋转速度，用氢21cm线测量,光度函数 单位光度间隔内天体的数密度,Schechter function. L* 特征光度,各种星系属性随着Hubble分类的变化,显示Hubble分类不仅仅是形态上的差异，也反映了这些星系形成机制上的差异,Morphology-density relation,星系团与大尺度结构,星系在空间的分布并不是随机的，而是体现出一系列的结构。天空中有些区域聚集着成千上百的星系，有些星系三五成群，而有些星系构成了纤维状或者墙状结构。,星系团(cluster of galaxies)的选择,rich cluster的数密度 也就是说平均距离约50Mpc/h,局部：整个天区，结构受银河系吸收的影响。临近的 星系团， 北天：Virgo, Ursa Major, Centaurus, Coma 南天：Perseus, Fornax,临近的星系团,星系团的基本特征,团中约80%50%的星系是E+S0星系，而场星系中 只有30%。和Morphology-density relation相一致,3kev(/1000km/s)2,高温气体通过轫致辐射辐射x-ray光子,rich cluster（富星系团）中星系总光度约为,团中星系的运动速度很快，视线方向速度为400-1400km/s。 可以用这个速度估算引力质量：,星系团中富含热气体，温度约为,星系群(group of galaxies),大尺度结构,星系成团特性不单出现在星系团和星系群这样的结构里，还延伸到更大的尺度上,Filaments, walls and voids (典型尺度50h-1Mpc).,目前已知最大的结构 尺度超过100Mpc/h,长城,星系成团的描述方法 两点相关函数：随机取体积V1, V2,星系平均密度n, 在V1和V2 中找到星系的联合几率为,描述在给定星系距离r12找到另一星系高出平均的几率。(r)0, 成团；(r)0，反成团。 (r)对r的平均值为零。,r0相关尺度。,实际计算时通常采用如下形式：,相关函数可以用下面的形式来描述：,当r=30Mpc/h时，相关函数就趋于0，显示最大尺度的结构平均来说大约30Mpc/h左右。,功率谱P(k) (r)的Fourier变换,对于所有星系而言r06 Mpc/h, 1.8 如果只用星系团中 的星系进行计算， 会发现值和上面 相同，但是 r0=20Mpc/h,距离的测量以及Hubble定律,三角视差法（trigonometric parallex),原理图 很好位置精度: 地面0.01, 空间Hipparco卫星(1993-98)，0.001距离（1kpc) 增加基线长度: 火星 技术提高，Gaia (2012-?), L-2轨道(1.5Mkm)， 50 micro-arcsec 距离模数(distance modulus):,运动学方法,测量恒星的视向速度和横向速度(vr, vt), 从光谱测定vr=cz,从恒星位置变化给出自行，有 vt=d，,如知道vr和vt的关系，就能测量出d,对于单个天体是很难的，但是对某个天体群就不一样了。例如星团， 测得每个恒星的(vr,vt), 如假设在扣除整体运动速度之后，统计上速度分布各向同性：,Sagittarius(人马座) B2, OH maser stars(VLBI),vr=45km/s, d=7.11.5kpc,造父变星(cepheid)周期-光度距离,恒星周期性脉动 造父变星 M5M , 光学波段变幅1 mag, 周期和光度的关系(Feast & Catchpol 1997,MNRAS),通过有Mv=-2.81logP-1.43可以得到Mv观察得到m， 通过Mm-5lg(R/R0)可以算出R,通过旋转速度或者速度弥散确定绝对星等，然后通过视星等与绝对星等定出距离,Faber-Jackson relation,Tully-Fisher relation,SNIa,C、O白矮星质量上限差不多， 光度差不多， 标准烛光。 实际上跟很多因数有关，转动，化学组成有关。 最重要经验光变时标和光度关系（越宽峰值光度越高）定标(Filippenko et al. 2005),Hubble定律,Hubble的数据,星系离我们越远，它远离我们的速度越大！ V=cz=H0D,Ho = 71 km/s / Mpc,早前Hubble常数的测量存在着很大的分歧，一部分人测量到的是50左右，而另外一批人的结论是70左右，所以人们通常把Hubble常数表示为： H0=100h,各种方法关于Hubble常数给出基本一致的结论,Hubble定律同样可以用来测量天体的距离。 更重要的是，Hubble定律暗示着这些遥远的天体可能在过去的某个时刻就在我们的身旁！ 也就是说，在遥远的过去，所有的物质都聚集在一起 大爆炸！,宇 宙 的 物 质 组 成,为了表征宇宙的物质密度，我们首先定义一个临界密度（critical density）：,重 子(baryon) 物 质,恒星是由重子物质组成的，我们可以通过其估计重 子物质的下限。利用光度函数,通过恒星理论模型，我们可以估算出星系可见光的质光 比约为 ，那么恒星对密度的贡献为：,重子物质还以星系际介质等气体的形式存在，例如 星系团中产生X-ray的高温等离子气体,星系群（group of galaxies）中的能产生X-ray的气体,但是星系群中的气体温度较低，通过X-ray测量出来的气体两可能严重低估实际的气体含量。,而对宇宙早期的研究却发现，重子物质占临界密度的比例约 为,这就是有名的missing baryon问题,相对论性物质,宇宙微波背景辐射(CMB)- Arno Penzias和Robert Wilson与 1965年发现。CMB是一个严格的黑体谱，黑体温度=2.735,Arno Penzias and Robert Wilson,V600km/s,由于CMB光子是黑体谱，所以可以较容易估算出能 量密度为：,无质量中微子也贡献一部分,暗物质-存在的证据？,外部区域，旋转速度基本上 是个常数,V,r,M,total,disk,total,Luminous matter,通过星系团中的x-ray辐射计算出热气体的质量约为 10131014 h-1太阳质量,团中星系的运动速度很快，视线方向速度为400-1400km/s。 可以用这个速度估算引力质量：,通过星系团中星系的总光度，按照一定的质光比， 星系质量约为10121013 h-1太阳质量,获得引力质量约为10141015 h-1太阳质量，是重子物质的近10倍,引力透镜测质量,Lensing by a dense cluster of galaxies. Using Einsteins laws of general relativity, we can estimate the mass of the lens. About 10 times more mass is present than one would estimate by summing the mass of the visible galaxies.,暗物质究竟是什么？,非常暗的重子物质？例如非常暗的恒星？ 还是某类特殊的物质？只有引力相互作用 或者牛顿引力在大尺度上是错的？MOND,暗 能 量,Einstein写下著名的广义相对论场方程的时候， 心中突然觉得有个问题让他很不踏实，于是在 他的常方程中就加入了一项：宇宙学常数,这个问题就是，他认为宇宙是稳态的这是 当时几乎所有物理学家心中的某个信念？宇宙学常数等效于某这负压强，可以抵抗引力产生的收缩。,就在这之后没多少年的20年代，Hubble发现了星系在远离我们而去，打破了这一稳态的信念，宇宙学常数逐渐不被人们所提及,然而近20年来的观测显示，即使在我们这个膨胀的宇宙中，仍然需要类似于场方程中宇宙学常数这样的东西，我们现在通常叫