天文学课件之9.ppt

大学物理 第九章宇宙学 牛顿的静态宇宙观爱因斯坦的有限无界宇宙模型伽莫夫的大爆炸宇宙论标准宇宙模型宇宙早期的暴涨模型暗物质与暗能量奇点问题 往古来今谓之宙 四方上下谓之宇 淮南子 齐俗训 大学物理 9 1牛顿的静态宇宙观 中国古代的宇宙观盖天说 周初 地是平坦的 天如伞一样覆盖大地 浑天说 战国 天地有蛋形结构 地在中心 天在地周围 宣夜说 战国 天无限而空虚 星辰悬浮空虚之中 7世纪牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径 建立经典宇宙学 大学物理 牛顿静态宇宙观的精髓 绝对空间是静止不动的 绝对时间是永远流逝的 空间和时间都永无止境 没有起源 没有终点 大学物理 奥伯斯佯谬由德国的医生兼业余天文学家奥伯斯于1823年提出 于1826年修订 确切的表述是 如果宇宙是稳恒 无限大 时空平直的 其中均匀分布着同样的发光体 由于发光体的照度与距离的平方成反比 而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比 这样就使得对全部发光体的照度的积分不收敛 黑夜的天空应当是无限亮的 大学物理 如何摆脱奥伯斯佯谬 佯谬的前提即是牛顿静态宇宙观 它涉及的相关命题有四个 1 宇宙是无限的2 宇宙中到处都有大致上均匀分布的恒星 恒星的总数无限大 3 宇宙是静止的 没有变化的 4 宇宙存在的时间是无限长的 至少要推翻其中一个命题 才能摆脱奥伯斯佯谬 大学物理 9 2爱因斯坦宇宙模型 1917年爱因斯坦根据广义相对论建立了一个 静止 有限 无界 的宇宙模型 引进宇宙学原理 弯曲时空等概念 从而开创了现代宇宙学研究的时代 1922年苏联数学家弗里德曼探讨非静态宇宙及宇宙膨胀的可能性 1927年比利时主教 天文学家勒梅特提出均匀各向同性膨胀宇宙学模型 1932年勒梅特提出 原始原子 爆炸形成宇宙的概念 1948年美国天文学家伽莫夫发展勒梅特思想 奠定大爆炸宇宙论的基础 大学物理 1 宇宙学原理 1 宇宙中的物质是均匀分布的迄今没有发现尺度超过200Mpc的结构 宇宙是无边界的 约100万个星系在30度天空范围和20亿光年距离内的分布 大学物理 2 宇宙是各向同性的 宇宙没有中心 大学物理 2 Einstein静态宇宙模型 1915年Einstein建立广义相对论物质 引力 时空弯曲1917年Einstein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 Einstein发现方程的解是不稳定的 表明宇宙在膨胀或者收缩 Einstein认为宇宙应该是永恒的 稳定的 为求引力场方程的均匀的和各向同性的解 Einstein加入一个起斥力作用 宇宙常数 项 得到一个静态宇宙模型 有限无边 没有中心 大学物理 3 Friedman膨胀宇宙模型 1922年 俄国数学家A Friedman求得不含 宇宙常数 项的引力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 膨胀宇宙的演化取决于宇宙中的物质自引力或密度 的大小 宇宙总能量E T U mV2 2 GMm r mH2r2 2 4 r3 3 Gm r mr2 H2 2 4 G 3 当 c 3H2 8 G 8 10 30gcm 3时 E 0 大学物理 宇宙的未来 定义宇宙密度参数 0 c 0 1 束缚宇宙 0 1 开放宇宙 0 1 临界束缚宇宙 0的测定在一个很大的空间内测量星系的质量 0 0 01 如果宇宙中的物质绝大部分由暗物质构成 0 0 3 0 4 大学物理 宇宙的未来 0 1 膨胀 收缩 0 1 无限膨胀 0 1 无限膨胀 热死亡 振荡 冷死亡 大学物理 宇宙的位形 0 1 零曲率 平直宇宙 0 1 正曲率 封闭宇宙 0 1 负曲率 开放宇宙 大学物理 4 Lemaitre的原始原子理论 1927年 比利时教士和天文学家G Lematire重新得到Einstein引力场方程的Friedman解 Lematire指出哈勃观测到的宇宙膨胀现象正是Einstein引力场方程所预言的 因此 过去的宇宙必定比今天的宇宙占有较小的空间的尺度 并且 宇宙有一个起始之点 称为 原始原子 对奥伯斯佯谬的现代解释由于宇宙膨胀 星系在离我们远去 发出的光子发生红移宇宙的年龄不是无限的 遥远恒星的光子迄今尚未到达地球 我们只可能观测到宇宙视界 天体的退行速度达到光速处 内的天体的辐射 大学物理 5 大爆炸宇宙学 1940sGamov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 GeorgeGamov 大学物理 1948年 伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文 系统地提出了宇宙起源和演化的理论 与我们惯常的想法不同 这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点 然后向四周的空气传播开去的那种爆炸 而是空间本身在扩展 星系物质随着空间的扩展而分开 根据大爆炸宇宙论 极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体 温度极高 密度极大 且以很大的速率膨胀着 伽莫夫还作出了一个非凡的预言 我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中 不过温度已降到6K左右 正如一个火炉虽然不再有火了 还可以冒一点热气 9 3伽莫夫的大爆炸理论 大学物理 1964年 美国贝尔电话公司年轻的工程师 彭齐亚斯和威尔逊 因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射 经过测量和计算 得出这个残余辐射的温度是2 7K 比伽莫夫预言的温度要低 一般称为3K宇宙微波背景辐射 这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论 大学物理 9 4标准宇宙模型 大学物理 宇宙微波背景辐射 1 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10K的黑体辐射 1965年Penzias和Wilson在7 35厘米波长发现宇宙背景中存在温度为3 5K 各向同性的黑体辐射 它被证实为宇宙微波背景辐射 CosmicMicrowaveBackgroundRadiation 电影26分 大学物理 2 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2 74K黑体辐射 大学物理 微波背景辐射谱 大学物理 宇宙微波背景辐射温度变化 蓝色 2 724K 红色 2 732K 太阳运动的朝向与被向方向的温度分别变化10 3 微波背景辐射的偶极不对称 利用太阳运动多普勒效应对背景辐射的影响 可以测定太阳以400km s速度向为狮子座 Leo 方向运动 大学物理 微波背景辐射的涨落 扣除微波背景辐射的偶极不对称和银河系尘埃辐射的影响后 微波背景辐射表现出大小为十万分之几的温度变化 这种细微的温度变化表明宇宙演化早期存在微小的不均匀性 正是这种不均匀性导致了星系的形成 大学物理 宇宙的演化 1 物质与辐射 1 物质主导与辐射主导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 29gcm 3 R 4 10 34gcm 3 目前的宇宙是物质主导的 大学物理 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几千年左右 大学物理 物质的创生在极高温度下 高能光子的相互碰撞会产生正负粒子对起点温度 电子 6 109K质子 1013K正负粒子对湮灭会产生光子 如果正负粒子对产生的速率与湮灭速率相等 称它们处于热平衡状态 正负粒子存在微小的不对称性 随着宇宙的膨胀与冷却 绝大部分粒子湮灭 极少量多余的正粒子构成了今天的物质世界 大学物理 2 宇宙的演化历史 辐射相 0 103yr 1 Planck时代未知物理理论 量子引力论 宇宙大小约为0 01cm 引力 强相互作用力 弱相互作用力 电磁力统一为一种力 t 0 10 43s 1092gcm 3T 1032K 大学物理 辐射相 0 103yr 2 大统一理论时代当t 10 43s T 1032K 引力与其他力分离 强相互作用力 弱相互作用力 电磁力统一 GUT t 10 43 10 34s 1082 1072gcm 3T 1032 1027K 大学物理 辐射相 0 103yr 3 重子时代重子和轻子处于热平衡状态t 10 10s T 1015K 弱相互作用力与电磁力分离 t 10 4s T 1013K 重子形成过程结束 t 10 35 10 4s 1072 1013gcm 3T 1027 1012K 大学物理 辐射相 0 103yr 4 轻子时代轻子处于热平衡状态 当t 102s T 109K 正负电子对形成过程结束 t 10 4 102s 1013 101gcm 3T 1012 109K 大学物理 辐射相 0 103yr 5 核时代恒星演化理论可以较好地解释宇宙中重元素的丰度 但轻元素丰度的理论与观测值不符 特别是氦元素丰度比理论预计高25 这部分氦元素丰度被认为是宇宙早期的原初丰度 通常将宇宙早期比氢元素更重的元素形成过程称为原初核合成 t 102s 103yr 101 10 16gcm 3T 109 6 104K 大学物理 当t 102s T 109K 宇宙中的可见物质包括电子 质子和中子 其中质子与中子数目比为5 1 质子与中子结合形成氘核1H neutron 2H E但氘核一旦形成 就被高能光子瓦解 这个阶段称为氘瓶颈当t 2min T 9 108K 氘核可以稳定地形成 并通过核反应迅速生成氦核 大学物理 核反应的结果是 在几分钟内 几乎所有的中子被消耗光 宇宙中的可见物质只有质子 氦核和电子 由于宇宙的膨胀和冷却 氦核无法通过核反应生成更重的元素 当t 103s T 3 108K 宇宙元素丰度确定 核合成开始时质子与中子数目比为7 1 质子与氦核的数目比为12 1 氦丰度25 大学物理 恒星内部核合成产生极少量的氘 因此观测到的宇宙中的氘主要来自原初核合成 宇宙密度越高 粒子与氘的反应越多 氘丰度越低 目前对理论与观测的氘与氢的丰度比为10 5 10 4 要求重子物质的密度为临界密度的1 1 6 考虑暗物质 0 0 3 0 4 暗物质不可能主要由重子物质构成 原初核合成的元素丰度 大学物理 物质相 103Yr 6 原子时代物质开始在宇宙中占主导地位 高温使得氢和氦处于电离状态 大量的自由电子导致光子的自由程极短 当温度降至约几千K 电子与原子核结合形成原子当T 4500K 宇宙主要由原子 光子和暗物质构成 t 103 106yr 10 16 10 21gcm 3T 6 104 103K 大学物理 自由电子与原子核结合形成原子 复合 使得光子可以自由地运动 仅有特定波长的光子被吸收 称为辐射与物质 重子 退耦 宇宙变得透明 今天观测到的微波背景辐射就是辐射与物质脱耦最后时期的宇宙辐射 大学物理 物质相 7 星系时代星系与大尺度结构形成 宇宙在宏观上开始表现不均匀性 类星体和第一代恒星开始出现 t 106 109yr 10 21 3 10 28gcm 3T 103 10K 大学物理 物质相 8 恒星时代恒星持续形成 行星和生命开始出现 t 109 1010yr 3 10 28 10 29gcm 3T 10 3K 大学物理 9 5宇宙早期的暴胀模型 1 视界与平直问题视界问题微波背景辐射是高度各向同性的 整个宇宙应该具有相同的温度 但宇宙的不同区域处于各自的视界之外 如何进行信息交换 如大统一时代的视界为3 10 26cm 远小于宇宙尺度3cm 光子在目前宇宙视界上相对两点间的运行时间超过宇宙年龄 大学物理 平直问题目前宇宙密度参数 0的值接近于1 说明宇宙是平直的 在宇宙早期 0应该极其接近于1为什么宇宙是平直的 大学物理 2 暴胀宇宙 物质相互作用的四种力强度作用范围 m 强相互作用力1束缚核子10 15电磁力1 137束缚原子 弱相互作用力10 5引起放射性10 17引力6 10 39束缚宏观物体 大学物理 大统一理论 GUT 认为在极高的温度下 强相互作用力 弱相互作用力和电磁相互作用力是统一的 当t 10 35s T降至1028K以下 强相互作用力与其他力分离 在t 10 35 10 32s阶段 宇宙经历暴胀 尺度增大 1050倍 暴胀结束后 宇宙膨胀恢复到原来的速度 大学物理 对视界和平直问题的解释 即使宇宙早期位形是高度弯曲的 经过暴胀会变为平直 宇宙起源于一个极小的区域 比经典大爆炸模型小 在暴胀前宇宙的大小远小于视界大小 因而具有相同的温度 暴胀后的宇宙依然具有相同的温度 大学物理 2003年威尔金森微波背景各向异性探测器 WMAP 和斯隆数字巡天 SDSS 天文观测以其对宇宙学参数的精确测量 进一步强有力地支持了标准宇宙模型 这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就 WMAP的结果告诉我们 宇宙中普通物质只占4 23 的物质为暗物质 73 是暗能量 SDSS也给出类似的结果 9 6暗物质和暗能量 大学物理 大学物理 暗物质暗物质是宇宙物质的主要成分 暗物质的密度涨落应该在宇宙大尺度结构的形成中其主要作用 暗物质只有弱作用和引力作用 由于暗物质与辐射场之间没有耦合 因此暗物质的凝聚可以在辐射与正常物质脱耦前发生 暗物质的密度涨落也不会影响微波背景辐射的各向同性 大学物理 暗物质的成分热暗物质 HDM 粒子质量很小 速度接近光速 如中微子 宇宙大尺度结构 自上而下 冷暗物质 CDM 粒子质量较大 速度较慢 宇宙小尺度结构 自下而上 暗物质很可能同时包括热暗物质和冷暗物质 大学物理 暗物质与星系形成 宇宙开始包含均匀分布的暗物质和正常物质 大爆炸后数千年暗物质开始成团 暗物质确定宇宙中物质的总体分布和大尺度结构 正常物质在引力作用下向高密度区域聚集 形成星系和星系团 大学物理 暗物质的不均匀分布产生的引力变化导致微波背景辐射微小起伏 WMAP结果 COBE观测结果红色 高温蓝色 低温温度差别为10 4K 大学物理 暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果 支持暗能量的主要证据有两个 1 对遥远的超新星所进行的大量观测表明 宇宙在加速膨胀 星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样 是恒定的 而是在不断加速 按照爱因斯坦引力场方程 加速膨胀的现