现代天文学前沿简介-B.ppt

1、宇宙概观,地球-太阳（太阳系）-恒星-星团- 银河系-河外星系-宇宙,科学工作者的祖国 在中国科学院研究生院工程硕士开学典礼上的演讲 潘维 1998年11月21日，中国的第一艘航天试验飞船神舟一号从酒泉发射中心升空，飞船的一举一动都由北京中心遥控，从点火升空到返回着陆，成千上万条调度命令要从这里发出。神舟三号升空，他们的平均年龄还不到30岁。与高能物理及原子弹不同，中国的载人航天没有胸有成竹，满腹经纶的专家领军撑腰，就靠刚从学校出来的这些年轻的本科生和硕士生。 任总调度的是一个北航毕业生，名字叫申劲松，当时只有25 岁。神舟一号升空之日是他的25岁生日。一年后飞船返回时，他发现状态有些不对，可

2、他只有20秒钟的时间作决定，而且决定的后果是巨大的。他作了决定，而且作对了。返回舱落地之时，申劲松没了感觉，就是腿软，汗从握紧的拳头中流下来，这一天是1999年11月21日，是他26岁生日。他已经在机房中待了整整一年。到2002年神舟三号发射升空，这个1973年出生的28岁大男孩已经连任三届总调度了。他的工资只有1300元。事实上，整个控制中心的科研人员都是这样的一些青年学生，全部是我国自己培养的。,现在已经成为飞船轨道专家的曹雪勇是1995年北师大天文系的硕士毕业生。一进来就做轨道设计软件。可飞船还在制造中，飞船数据还不明确。他对整个任务系统一无所知，而且没有任何参考方案，没有一个可用的程序

3、、文档。他拼命了，日以继夜阅读国外资料，希望能发现一点漏网的蛛丝马迹，而且他用天文学知识来启发自己的思路。他几乎没离开过机房，怕思路中断就难以续上，每天靠方便面填肚子。经过半年没日没夜的工作，他成功了。北京飞航中心这样的例子并不少。 控制软件专家欧余军是1995年从长沙国防科技大学毕业的，1998年开始负责遥控保障软件的编写。那是个决定飞船能否安全返回的关键性软件，包括对飞船发送的所有指令、指令链和注入数据。没有任何现成的资料可借鉴，要从零开始。中国飞船能否回得来，就全看这25岁的小伙子了。整整两年零八个月，没白没黑，他把软件做了出来。结果发现有问题，近三年的劳动成果全被推翻。他伤心得一个人躲

4、在机房里放声大哭。中心的领导人认为哀兵必胜，坚持不换人。只剩下几个月了，欧余军成了机房里的拼命三郎，不管什么时候，人们走进机房都见他端坐在那里冥思苦想，像个活菩萨。任务完成了，他的身体也垮了，得了肾积水，经常疼得满头流汗。这时，中国第一次飞船发射开始，一切全新，谁也不是内行，有许多软件只有他一个人会发指令。医生护士把他从医院抬到指挥大厅，边输液边打键盘，在担架上坚持了几天几夜。飞船返回后才被抬回去做手术。,The Fairy of Eagle Nebula 鹰状星云尘埃雕塑正在蒸发，当极强星光照射这些宇宙冷山时，这些雕塑柱子可以想像为神秘怪兽（mithicalBeasts） 这是为纪念HST发

5、射15周年而发此图,、天球天球就是以观测者为球心，以无限大为半径所描绘出的假想球面，我们看到的天体（星星、月亮、太阳）是其在这个巨大的圆球的球面上的投影位置。 、周日视运动由于地球自转（自西向东），所以地面上的观测者看到的天体在一天中在天球上自东向西沿着与转轴垂直的平面内的小圆转过一周。、子午圈通过观测者的天顶和南北天极的大圆。、中天天体经过观测者的子午圈时，叫做中天。由于地球的自转，天 体一天要穿过子午圈两次，其中离观测者天顶较近一次叫上中天。另外那一次叫下中天、黄道简单的说就是太阳在天球中的运行轨迹。由于运动的相对性， 所以黄道也就是地球公转轨道与天球的交线。,、目视星等公元前世纪，希腊天

6、文学家伊巴谷将恒星按照其亮度分为六等。亮度越大，星等越小。后来发现，一等星比六等星约亮倍，所以定义“星等”每差一等，亮度差倍。如果比一等星还亮倍为等，比0等星还要亮倍的为1等. .依次类推。下面是一些较亮天体的目视星等天狼星天（大犬座） 等金星（大距时） 等 木星 等满月 等 太阳 等 （绝对星等4.7等）,从托勒梅、哥白尼、赫歇尔到哈勃，无数天文学家的不懈努力使我们的目光从地球扩展到太阳系、银河系、河外星系，乃至我们生存于其中的整个宇宙。 20世纪物理学的两大奇葩-爱因斯坦创立的广义相对论和玻尔、海森伯等人奠基的量子物理学，如何在20世纪后半叶汇聚于宇宙学研究中，并为我们初步揭开了宇宙的创世

7、之谜。,我们现在知道，星云（星系）是构成宇宙的单元。 但是，为了认识它们的真实本质，必须做一件超越以前的简单观测的事。天文学家在真正领会自己观测到的现象之前，必须先度量宇宙，先掌握银河系之内和之外的距离尺度。,秒差距 parsec 天文学家用于量度天体距离的单位,它是一个天文单位所张的角度为一角秒所对应的距离。它主要用于太阳系以外。 英文是parsec，缩写为pc, pc是parallax(视差)和second（秒）两字的缩写合成的。天体的周年视差为1角秒,其距离即为1秒差距。更长的距离单位有千秒差距 kpc和百万秒差距Mpc。1秒差距=3.2616 光年=206,265 天文单位=308,5

8、68亿公里。,及极限,基线,Figure 9.3,For p measured in arc seconds,Then d is in units called PARSECS (pc),Heliocentric Parallax,1 pc = 206265 au,造父变星得名于仙王座（中国古代称为造父一），造父变星的亮度呈现特有的很规则的变化。女天文学家勒维特从照片上证认造父变星并找出每颗变星的的光变周期和平均亮度的艰苦工作中，逐渐获得了这样的印象：越明亮的造父变星，其亮度的变化的周期越长。勒维特用小麦哲伦云的25颗造父变星得出它们的周期和光度之间的关系。天文学家有了一把测量银河系的尺子，但

9、不知道这尺子的长度。 只过了一年，赫兹普龙估算出了一些造父变星的距离。有了距离就很容易地由视亮度算出真实亮度（光度）。,Distance scale: Cepheid Variables ( 10 Mpc),时间序列,恒星时是由春分点的周日视运动来定义的。春分点绕天球一圈，又一次通过子午线时，定义恒星时为24小时。 平太阳时是由太阳的周日视运动来定义的。太阳上中天定义为太阳时12点，太阳还有周年视运动，所以太阳时与恒星时间隔不同。 1回归年365.2422太阳日=366.2422恒星日 以假想的“平太阳”的时角定义的时间称为平太阳时，简称平时。格林尼治地方时称为世界时。 国际日期变更线是太平洋

10、中经度180度线，简称日界线。,量度时间的基本单位 地球绕轴旋转，自转轴过南、北两极。地球自转是造成昼夜交替的原因，自转一周就是1日。同时，地球又绕太阳公转。地球自转轴与公转轨道平面交角为66.5，地球公转和自转轴的倾斜是造成四季变化的原因，公转一周就是1年。因此，地球的运动规律构成了时间单位的自然基础。,地球绕太阳的公转周期称为回归年，1回归年365.2422太阳日366.2422恒星日，即在1年时间内，太阳日数比恒星日数多1日，这多出来的1日就是因地球公转引起的。,阴 历 历法中的年称为历年，历法中的月称为历月，它们都是日的整数倍，但可以不是常数。阴历又称太阴历，是以月球绕地球的公转周期为

11、基础而制订的，其基本原则是：每一历月的长度接近朔望月（29.5603日）；历月的平均长度等于朔望月；历年的平均长度尽可能接近回归年的长度（365.2422日）。,阳 历 阳历又称太阳历，是以地球绕太阳的公转周期为基础而制订的。制订阳历的基本原则是：每一历年的长度都非常接近回归年的长度；历年的平均长度等于回归年；参照朔望月的长度把历年分为若干历月，其长度尽可能接近朔望月。 由于阳历历年的长度（365或366日）很接近回归年的长度，与农业生产和人们生活的要求相一致，因而被广泛采用。但阳历历月中的日期数与月相完全没有关系，而且每个月的情况又各不相同，人们完全无法从阳历历月中的日期来判断月相。,公元前

12、46年，罗马皇帝儒略恺撒（Julius Caesar）执政，第二年即着手改革历法，诞生“儒略历”。儒略历的要点是：改历前的那一年定为含445日，称为乱年，目的是要使春分点落在3月21日；从公元前46年起，以365日为一年，以春分那一天作为一年的第一天，即岁首；一年分为12个月，单数月为大月31日，双数月为小月30日，多余的一日在2月中扣除。这样，2月份就只有29日；每4年的最后一年的2月增加1日，这一年为闰年，并规定闰年为能被4整除的年份。,儒略出生于7月，他下令以他的名字作为7月的月名，这就是英语中7月的月名“July”的由来。可是，就在改历后的第二年（公元前44年），儒略即遇刺身亡，由他的

13、侄儿奥古斯都（Augustus Caesar）接位。奥古斯都进一步改历，生于8月的奥古斯都改8月的月名为“August”，并将8月改为大月31日。他下令从2月中再减去1日，改8月后的单数月为小月30日，双数月为大月31日。这就是目前阳历历月月份长短不一、又毫无规律可循的历史原因。,太阳不在银河系中心 球状星团的分布非球形，90%以上位于人马座为中心的 半个天球上 银河系结构：身躯如盘，内脏如球，外形如旋涡 银心距离： 3万光年 银盘直径： 8万光年 中间银盘厚度：6500光年 恒星生长、成长的地方 美丽的亮星云和神秘的暗星云 奇妙的星际分子和分子云：H2、CO、甲川CH、 氢基CH、羟基OH等

14、,That same band looks very different when imaged at different wavelengths. For example, below is an image of the sky in the near-IR, sensitive to giant stars and dust.,不同辐射波段的银河系,NGC 7331；若银河系位于500百万光年处， 看起来就是像NGC7331,1920年，在美国国家科学院，柯蒂斯与沙普利的两种不同观点正式交锋，虽然在这场论战中柯蒂斯占了上风，却并未有得出公认一致的结论，直到三年后，哈勃给出的观测事实，才使

15、上述论战有了决定性的结果。1923年，威尔逊山天文台建成了2.5米口径的天文望远镜，哈勃利用它在仙女座星云外缘找到一颗造父变星，根据其光变周期与光度之间的关系，他推断出该星的距离为15万秒差距（实际为80万秒差距），比沙普利的银河系要大得多。这表明，仙女座大星云是一个河外星系，从而结束了河外天体是否存在的辩论，使天文学家的研究领域迈出了银河系。,哈勃分类,Face-on Spiral Galaxy M101 in HI (left) and optical (right),M51 (Whirlpool galaxy) : An Sb face-on Spiral,本星系群,本星系群,本星系群,

16、CfA Redshift Survey,The 2dF Galaxy Redshift Survey,Final data release June 2003 .au/2dFGRS,宇宙大尺度结构,20世纪天体物理学成就,两大基本理论： 恒星演化和宇宙大爆炸模型 全电磁波段天文学 从可见光拓展到全电磁波段 20世纪60年代四大发现： 类星体，脉冲星，微波背景辐射， 星际分子。,，,脉冲星的发现曾轰动世界。1967年英国天文学家休伊什（A.Hewish）教授和他的研究生J.贝尔女士一起发现了脉冲星，找到了物理学家30多年前预言的中子星。1974年获诺贝尔物理学奖。

17、1974年，美国天文学家泰勒（H. Tayler）和他的研究生赫尔斯（Hulse）发现射电脉冲双星，尔后验证了引力辐射。爱因斯坦预言的引力辐射终于在半个多世纪以后得到了第一例验证。1993年获诺贝尔物理学奖。 脉冲星的研究获两次诺贝尔物理学奖。,Radio Pulsars,History of Searches,类星体是20世纪60年代天文学的“四大发现”之一。这种天体在一般光学观测中只是一个光点，类似恒星。然而在分光观测中，它的谱线具有很大的红移，又不像恒星，因此称它为类星体(quasar)（quasi stellar object）。 1993年底，已确认7，383个类星体。 2002年的

18、星表列出23，760颗类星体。,1960年，美国天文学家桑德奇利用5米口径的望远镜，对这几个射电致密源所在的天区进行了仔细搜寻，发现每个区域中都有一颗恒，它们看起来与恒星很相似好像就是射电源的光学对应体。被探测到的第一颗这类恒星是与3C48射电源相关的恒星。分光探测表明，它的光谱中有许多陌生的强而宽的发射线，看不出这些谱线对应何种元素，此事令天文学界大为困惑。 1963年，射电源3C273的光学对应体被确认，它是一个与13星等的恒星类似的天体，其光谱与3C48很相似，同样难以辩认。荷兰天文学家 M施米特对3C273进行了仔细研究，发现其光谱的6条谱线中有4条的排列方式与氢光谱十分类似，但离氢谱

19、线应该存在的位置太远。,类星体大致有如卜特点： l、类星体在照相底片上呈现类似恒星的像，这表示它们的体积较小。 2、类星体光谱中有许多强而宽的发射线，最常出现的是氢、氧、碳、镁等元素的谱线。氦线一般非常弱或者没有，这表明类星体中氦元素含量很少。 3、类星体发出很强的紫外辐射，因此颜色显得很蓝(这也是为什么非射电源类星体被称为蓝星体)。类星体的红外辐射也非常强。 4、类恒星射电源发出强烈的非热射电辐射。致密单源的位置基本与光学源重合。 5、类星体一般都有光变。 6、类星体光谱的发射线都有巨大的红移。 7、一些类星体还发出很强的X射线。,The quasar known as PKS 1127-1

20、45 lies ten billion light-years from our fair planet. A Hubble Space Telescope view in the left panel shows this quasar along with other galaxies as they appear in optical light. right panel is a Chandra Observatory x-ray picture, exactly corresponding to the Hubble field. While the more ordinary ga

21、laxies are not seen in the Chandra image,此图片就是模拟出的星系相撞过程，从上到下分别是两个螺旋星系相撞合并、类星体形成、宇宙风刮走物质等各个阶段。最终星系中只剩下很少的气体，和一个巨大黑洞。图中不同颜色代表气体的不同温度和亮度。类星体在华丽的焰火中消亡，它们的寿命与星系本身相比非常短暂。早期宇宙中有很多类星体，但大多数已经这样消失，所以人们观察到的类星体很少，而且总在极其遥远的地方也就是离我们极其遥远的年代。年纪大的星系都已经太成熟，早就过了类星体阶段。,二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收天线系

22、统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声，他们认为，这些来自宇宙的的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K的热辐射。1965年他们又将其修正为3K，并将这一发现公布，为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在0.3-75厘米波段，可以在地面上直接测到；在大于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测量；在小于0.3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要使用气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测量。,宇宙微波背景辐射,1. 发现 Gamov, Alpher和Herman 预言5-5

23、0K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彭齐亚斯和Wilson威尔逊在7.35厘米波长（4080兆赫）发现宇宙背景中存在温度为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),“喇叭”型天线原来为了与地球轨道卫星通讯用，后来用它发现3K宇宙微波背景辐射.图中左为R Wilson右为 A Penzias,彭齐阿斯和威尔逊立即同迪克研究小组取得了联系。 这两组科学家研究的实际上是同一课题，即微波背景

24、辐射。所谓的微波背景辐射，是指从广阔的星系间空间(即“宇宙背景”)辐射属于微波波段、只有绝对温度3度左右的“冷光”。不过，彭齐阿斯与威尔逊从观测实验着手；而迪克小组则以理论分析为主，他们之所以探测不到微波背景辐射，是因为天线灵敏度不够。 现在，两组科学家联抉攻关，相互交流研究成果，谜团一下于就被解开了。原来，广漠无根的星系间空间并非绝对的虚空，里面存在着能量辐射， “宇宙背景”的温度不是绝对零度而是3度(3K)。1965年，双方同时在天体物理杂志上发表了两篇论文。微波背景辐射的发现，成为60年代世界天文学的“四大发现”之一。 1978年，彭齐阿斯和威尔逊荣获诺贝尔物理学奖。,微波背景辐射谱,p

25、robably consists of water-ice.,星际分子：1963年，美国科学家发现星际羟基分子（OH），此后，陆续发现大量星际有机分子。到90年代末，已发现了120多种，而且许多都是很复杂的有机分子， 少数分子是地球上很难 找到的或者根本找不到的。 星际分子的发现有助于 人类对星云特性的深入 了解，可以帮助揭开生命 起源的奥秘。 星际分子C2S是在金牛座 黑暗星云,新千年的天文学和天体物理学：在了解我们在宇宙中所处的位置的历史过程中，新千年将是一个转折点。过去十年天文学做出了前所未有的成就： 发现了围绕着其他恒星的行星，约有100多个； 根据日震观测得到了太阳的内部结构； 观测

26、了彗星对木星的撞击； 发现了“褐矮星”内部无核反应的冷星； 发现了引力透镜效应； 发现了r 射线起源于遥远的宇宙空间； 发现了星系核中大质量黑洞； 各种迹象显示：宇宙是“平坦”的并且膨胀由于存在 “暗能量”而加速。,1969年斯奈德(L.E.Snyder)观测到有机分子甲醛(HCHO)的6cm谱线，轰动了世界，被誉为20世纪60年代天体物理的重大发现，他的发现还激发了天文学家去探索星际分子的热情。 到1991年，已发现92种星际分子，2000多条分子谱线。最新的消息是美国伊利诺斯州立大学的射电天文学家路易斯辛德通过频谱在靠近银河系中心的星云中发现了生命分子氨基酸，这一发现有可能解释生命的起源问

27、题。 星际有机分子的普遍存在启示我们，在宇宙的恒星体系中，具备产生生命条件的行星（类地球）为数不少，在那些行星上必然会出现生命，乃至进化为智慧生物。因此，探索宇宙生命将是人类在搞清自己之后的下一个探求目标。,恒星演化 宇宙学,HST Chandra ATCA,Raymond Davis,诺贝尔物理学奖: 近30多年有11项14人因从事与天体物理学有关的研究获得诺贝尔物理学奖: 2002:neutrino astrophysics and X-ray astronomy,Raymond Davis (University of Pennsylvania and Brookhaven Natl.

28、Lab), Masatoshi Koshiba (University of Tokyo),Riccardo Giacconi (Associated Universities Inc.),Masatoshi Koshiba,Riccardo Giacconi,宇宙的最不可理解之处在于它是可以理解的。 -爱因斯坦 在我看来，不利用广义相对论，人们不可能从理论上得到任何宇宙学上的可信的结果。-爱因斯坦 应当相信的是观测而不是理论，理论之可信也只是在被观测所证实的限度内。-亚里士多德,宇宙学cosmology 天文学的一个分支。它是研究宇宙的大尺度结构、起源和演化的学科。 现代宇宙学所研究的课题，

29、就是现今观测直接或间接所及的整个天区的大尺度特征，即大尺度时空的性质、物质运动的形态和规律，以及它们的起源和演化。 现代宇宙学包括密切联系的两个方面，即观测宇宙学和物理宇宙学。前者侧重于发现大尺度的观测特征，后者侧重于研究宇宙的运动学、动力学和物理学以及建立宇宙模型。,我们对于宇宙还有大量无知或不解之处。但是我们过去尤其是一百年内所取得的进 步，足以使人相信，我们能够完全理解宇宙。我们不会永远在黑暗中摸索。我们会在宇 宙的完整理论上取得突破。在那种情形下，我们就真正成为宇宙的主宰。 霍金前言,历史上重要的科学巨人 Brahe Kepler Galileo Newton Einstein,193

30、0年 爱因斯坦在哈勃 陪同下 用望远镜观测,哈勃 (Hubble, Edwin Powell)(1889 - 1953)，美国天文学家。他對星系、宇宙膨脹和宇宙的大小的研究貢献良多。他发現旋渦狀的云其实是好像我們銀河系般的星系。他又確认出仙女座大星系 (Andromeda Galaxy) 中的造父变星，证明河外星系的存在，並把它們分类，同時又发現星系光譜中的紅移現象，证明星系間正互相遠离，這发現給予宇宙膨脹理论极大的支持。 哈勃奠定了现代宇宙学的基础。 正是宇宙膨胀这一发现，才真正把天文学家送上了通往大爆炸之路。,哈勃1889年出生於美国密苏里州 (Missouri)。他的一生充满了传奇色彩。

31、家中的纪律甚嚴。他在学校的成绩优異，也是一位运动健將。在芝加哥大学他接受了著名天文学家海耳的建议开始学习天文，并於1910年取得数学和天文学的学士学位。他原本喜爱天文学，但父親希望他修读法律，他只好服從，所以当他获得了罗兹獎学金而进入英国的牛津大学时，他主修了法律，不过亦选修了一些与天文有关的科目。在牛津大学期间，他开始对英国 人的生活方式产生了兴趣，他学习英国人的口音，模仿英國人的衣著，甚至食起烟斗上來。在一九一二年他毕业了。在一九一三年，他返回美国跟家人到肯塔基定居。他当过中学老师，开过律师事务所，但他对律师职业无兴趣，一年后他投奔叶凯士天文台。,一九一四年，哈勃迁往威斯康辛 (Wisco

32、nsin) 並在芝加哥大學的叶凯士天文台 从事研究的工作。他詳細研究天空中的星云狀天体。他对大小麦哲倫云特別感到兴趣，他利用了一九一二年美国天文学家 H Leavitt 利用造父变星的光度变化特征來測量麥哲倫云跟地球的距离的技巧，从而推断麥哲倫云位於我们的本銀河系以外。一九一七年，哈勃在芝加哥大学完成了天文学的“暗星云的照相研究”的博士论文，获得博士学位。同時，加州威尔遜山天文台台长海尔(G. Hale) -20世纪最伟大的望远镜建造者-邀请他一同工作。然而他由于一次世界大战他应征入伍做了一名陆军战士。1919年他30岁回到威尔逊山如鱼得水，他使用当时世界最大的望远镜，取得了极其辉煌的成就。,

33、一九二三年，他在威尔遜山天文台用当时最大的2.5米口徑的反射望远镜拍摄了仙女座大星云的照片，照片上该星云外围的恒星已可被清楚地分辨出來，在这些恒星中他去确认出当中第一颗造父变星 ，翌年，他又在仙女座大星云中确认出更多的造父变星，並在三角座星云 M33 和人马座星云 NGC6822 中发现了另一些造父变星。接著，他利用勒維特、沙普利等人所確定的周光关系定出了这三个星云的造父視差，计算出仙女座星云距离地球約九十万光年，而银河系的直徑只有约十万光年，因此证明了仙女座星云是河外星系，其他两个星云亦远在银河系之外。从此人类探索宇宙的视野从银河系又扩展到了河外星系。从此一门新学科星系天文学便诞生了！ 他是

34、星系之父。,Hubbles Law,哈勃定律，红移,Gamow 热大爆炸理论 （1948） 元素合成发生于大爆炸后几分钟 之内 Dicke and Peebles: 宇宙微波背景辐射的存在 重要里程碑： （1）1929 哈勃等：发现宇宙膨胀 （2）1965 Penzias & Wilson: 发现微波背景辐射 （3）宇宙中氢、氦丰度,标准宇宙模型 我们生活在一个膨胀着的宇宙里，它均匀地充满着微弱的电磁辐射，物质以团块的形式均匀地散布于各处。 我们需要检查一下对今日宇宙知道些什么： 1 我们知道它在膨胀。 2 我们知道恒星物质的大约25%是氦，其余的是氢,3. 宇宙学原理,(1) 宇宙中的物质是

35、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,地球,为何这条消息引起许多媒体的关注？按照这条消息，宇宙是“有限无界”，这种宇宙图景对于天文学家来说早已不新鲜了，但对于许多习惯于“宇宙无限是唯物主义，宇宙有限是唯心主义”的公众来说，也许还是有些冲击力的？宇宙真的是无限的吗？来自WMAP（威尔金森微波各向异性探测器）卫星（NASA的一颗测量“大爆炸”所残留下来的辐射中温度波动的卫星）第一年运行的数据显示，整个天际的大尺度波动要比在一个无限宇宙中本应出现的波动弱的多。相反，它们正好符合一个没有边界、而是像一张纸那样卷成

36、一个圆筒状的有限宇宙模型。在一个用纸卷成的圆筒上行走的一只蚂蚁无需转身就可以回到其出发点，我们的视线也可以同样方式包裹真正的宇宙。本期封面所示为一个有限宇宙的正十二面体几何模型，可以很好地解释WMAP卫星的观测结果。（Letters, p. 593）,引力透镜效应,引力透镜 (gravitational lens) 由于引力场能使光线偏折从而使大质量物体像透镜那样会聚光线的现象。引力透镜的理论早在1919年就被提出。1937年兹威基认识到可以将它应用于宇宙学。但直到1979年才首次将类星体QSO0957561A，B证认为一个前景星系的引力透镜效应产生的双像。由星系或星系团这类较平滑质量分布产生

37、的透镜称为宏透镜. 如果背景天体是一个遥远的延展星系，那么透镜像将会散开成长几角秒的光弧。,宇宙大尺度结构,Tests of the Big Bang Theory,Expansion of the universe （宇宙膨胀） Cosmic microwave background radiation （宇宙微波背景辐射） Relative abundances of hydrogen, deuterium, helium and lithium（氢、氦和锂的相对丰度）,原初核合成的元素丰度,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

38、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,暴胀宇宙(inflationary universe) 极早期宇宙的一个可能的阶段，那时宇宙的尺度在一个极短的时期内指数式膨胀约50个数量级。该理论于1981年由A . Guth提出。由于它不仅能够较自然地说明宇宙为何如此平坦以及为何如此均匀等疑难问题，而且把研究最细微之物的粒子物理学和研究最庞大之物的宇宙学有机联系起来，因而被视为发现宇宙膨胀以来人类宇宙学观念最重大的进展。,解耦时期 (decouplin

39、g time) 宇宙历史早期物质粒子同辐射停止相互作用的时刻。按大爆炸理论，宇宙的温度随时间下降。不同的粒子解耦发生在不同的温度，因而相应于不同的时刻。如中微子同背景辐射解耦发生在温度约1010K，相应于大爆炸后约1秒，而普通物质同辐射解耦发生在温度约数千K，相当于大爆炸后约30万年。在物质和辐射解耦以后，背景辐射在宇宙中自由地传播。,宇宙减速参数q0 (deceleration parameter of the universe),描写宇宙膨胀变慢的一个数字，记为q0。在弗里德曼模型中，减速参数正好等于密度参数（即宇宙今天的平均密度0与临界密度c之比）值的一半。q0大于0.5表示减速得足够快

40、，宇宙膨胀最终将转变为塌缩。q0小于0.5表示宇宙将永远膨胀下去。在有宇宙学常数的模型中，减速参数甚至可以取负值，表示宇宙在加速膨胀。高红移超新星的观测结果表明，当前的情况看来正是如此。,宇宙密度参数 (density parameter of the universe) 宇宙的平均能量密度同使宇宙闭合所需的临界密度之比值，记作。如果大于1，宇宙是闭合的，将由膨胀转变为塌缩。如果小于1，宇宙是开放的，将永远膨胀下去。如果等于1，宇宙是平坦的，也会永远膨胀，这是暴胀宇宙学的预言，也得到高红移超新星、微波背景辐射等观测结果的有力支持。这些观测结果强烈提示，普通物质对总密度的贡献仅约4，暗物质的贡献

41、约23，而可能与宇宙学常数相关的真空能密度贡献达到73。,宇宙热历史 (thermal history of the universe) 宇宙从大爆炸时极高温高密的状态通过膨胀冷却到今天所经历的一系列物理过程。 1948年，俄裔美籍物理学家伽莫夫以弗里德曼膨胀宇宙模型为基础研究宇宙演化的早期，提出了被后人称作宇宙“大爆炸”的理论。该理论认为，今天宇宙中的星系是由早期均匀气体中的密度起伏在引力不稳定性作用下凝聚而成。由物理实验可知，绝热气体的密度和温度会随因膨胀而降低。在早期宇宙中 ，辐射气体的温度T同宇宙标度因子R（t）成反比，密度同宇宙标度因子R的4次方成反比。T2同宇宙时t成反比，即时间每

42、增大两个量级，温度就降低一个量级。如t1秒时的温度T1MeV，t106秒时T1GeV。往前追溯，相应的推论是宇宙的密度和温度越早越高。当追溯到t趋于0时，温度和密度都趋于无穷，这称为宇宙学的奇点疑难。人们有理由相信，在到达那一点之前，经典理论已经失效而应代之以量子理论。尽管建立量子引力理论的努力至今仍未获成功，但从量纲分析可知，量子引力起显著作用的能量是ET G 1/21019 GeV，称为普朗克能量。与此相应的温度为1032K，称为普朗克温度。与这能量相应的时间为t G 1/2 1043秒，称为普朗克时间。经典宇宙的膨胀就是由此开始的。,四十年来，天文学家一直希望测出宇宙膨胀率的变化，从而测

43、出宇宙的质量密度和空间几何结构，进而预言宇宙膨胀的未来。1998年，两个研究组报告，根据超新星爆发似乎有证据说明，由简单宇宙模型所预言的宇宙膨胀不是慢下来，而实际上是加速膨胀！假如这个结果被证实，那么我们的宇宙图像需要有很大的变化。我们势必将原来的宇宙模型加上另外的成分以形成最好的宇宙模型，真空能将驱使宇宙膨胀，构成宇宙大尺度结构为欧氏几何，它包含着宇宙的大部分能量。 -R. Kirshner,神秘的暗能量 1990年代后期，天文学家找到了宇宙中充满一种神秘的能量的证据，它来自对遥远超新星的观测。超新星的距离比红移指示的更远。这结果意味着宇宙在加速膨胀！ 宇宙加速膨胀暗示宇宙间充满着一种神秘的

44、能量，它不同于寻常的能量，必须具有排斥的特性 ，即负压特性，只有这种能量的存在才能解释平直宇宙与低物质密度之间的矛盾，并驱动宇宙膨胀。因为这种能量不可见，故称为暗能量。 在宇宙早期，暗能量很微弱，几乎可以忽略，这样星系才能形成。随着宇宙的膨胀，暗能量才称霸宇宙。尺度越大，压力越大。,对宇宙学来说，使得SN Ia 有用的关键性质是它们最亮而本身光度分散很小。理论上，光度范围很窄的SN Ia 可以限制使它们产生爆发的白矮星的质量上限：1.4M 是钱氏质量极限，它是简并电子所能支撑的由碳和氧组成的白矮星的冷质量。虽然在钱氏质量极限，由碳和氧组成的白矮星是稳定的，若它是双星的成员且增加质量也会产生爆炸。当热核燃烧波毁掉这颗星时，通过燃烧烧掉它大约0.5 M质量成为铁族元素，其结果这一“标准炸弹”正好是宇宙距离的灯塔。,通过对迄今所发现的一颗最遥远的超新星的研究，美国科学家为爱因斯坦的“暗能量”理论找到了第一个直接证据，并证明了在“大爆炸”后，宇宙的膨胀先是减速，然后进入加速阶段。这颗超新星的编号为“”，于年被哈勃太