天文学课件之9

1964年 美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭 1964年，美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭 —— 齐亚斯和威尔逊， 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， 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 得出这个残余辐射的温度是2.7K（ 2.7K 温度要低），一般称为3K宇宙微波背景辐射。 ），一般称为3K宇宙微波背景辐射 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。 发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论。
中国古代的宇宙观 盖天说（周初）：地是平坦的， ）：地是平坦的 盖天说（周初）：地是平坦的，天如伞一样覆 盖大地。 盖大地。 浑天说（战国）：天地有蛋形结构，地在中心， ）：天地有蛋形结构 浑天说（战国）：天地有蛋形结构，地在中心， 天在地周围。 天在地周围。 宣夜说（战国）：天无限而空虚， ）：天无限而空虚 宣夜说（战国）：天无限而空虚，星辰悬浮空 虚之中。 虚之中。 7世纪 牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径， 牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径， 建立经典宇宙学。 建立经典宇宙学。
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 佯谬的前提即是牛顿静态宇宙观， 命题有四个： 命题有四个： 1.宇宙是无限的 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 宇宙中到处都有大致上均匀分布的恒星， 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。 总数无限大。 3.宇宙是静止的，没有变化的。 3.宇宙是静止的，没有变化的。 宇宙是静止的 4.宇宙存在的时间是无限长的 宇宙存在的时间是无限长的。 4.宇宙存在的时间是无限长的。 至少要推翻其中一个命题， 至少要推翻其中一个命题，才能摆脱奥伯斯佯谬
5.大爆炸宇宙学 大爆炸宇宙学
• 1940s Gamov和Alpher首先提 和 首先提 出宇宙起源于约150亿年前一次 出宇宙起源于约 亿年前一次 猛烈的巨大爆炸。 猛烈的巨大爆炸。 宇宙的爆炸是空间的膨胀， 宇宙的爆炸是空间的膨胀，物 质则随着空间膨胀（ 质则随着空间膨胀（宇宙是无 中心的）。 中心的）。 随着宇宙膨胀和温度降低， 随着宇宙膨胀和温度降低，构 成物质的原初元素相继形成 。
3. Friedman膨胀宇宙模型 膨胀宇宙模型
• 1922年，俄国数学家A. Friedman求得不含“宇宙常 年 俄国数学家 求得不含“ 求得不含 项的引力场方程的均匀的和各向同性的通解。 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 在这个模型中宇宙是膨胀的， 宇宙中的物质自引力或密度ρ的大小 的大小。 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 – (4πr3/3)Gmρ/r = mr2 (H2/2 – 4πGρ/3) →当ρ = ρc = 3H2/(8πG) ≈ 8×10-30 gcm-3时， E = 0 当 ×
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、 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、 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。 现代宇宙学研究的时代 等概念，从而开创了现代宇宙学研究的时代。 1922年 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。 膨胀的可能性。 1927年 比利时主教、 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。 同性膨胀宇宙学模型。 1932年 勒梅特提出“原始原子” 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， 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。 大爆炸宇宙论的基础。
0
热死亡 振荡 冷死亡
宇宙的位形
0
= 1, 零曲率，平直宇宙 零曲率，
0
> 1, 正曲率，封闭宇宙 正曲率，
0
< 1, 负曲率，开放宇宙 负曲率，
4. Lemaitre的原始原子理论 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 年 比利时教士和天文学家 重新得到 Einstein引力场方程的 引力场方程的Friedman解。 引力场方程的 解 • Lematire指出哈勃观测到的宇宙膨胀现象正是 指出哈勃观测到的宇宙膨胀现象正是Einstein引 指出哈勃观测到的宇宙膨胀现象正是 引 力场方程所预言的。因此， 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， 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”。 原始原子” 奥伯斯佯谬的现代解释 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 由于宇宙膨胀，星系在离我们远去， • 宇宙的年龄不是无限的，遥远恒星的光子迄今尚未到达地 宇宙的年龄不是无限的， 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） 我们只可能观测到宇宙视界 天体的退行速度达到光速处） 宇宙视界（ 内的天体的辐射。 内的天体的辐射。
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 迄今没有发现尺度超过 的结构 →宇宙是无边界的 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
(2) 宇宙是各向同性的 →宇宙没有中心 宇宙没有中心
2. Einstein静态宇宙模型
第九章 宇宙学
1 牛顿的静态宇宙观 2 爱因斯坦的有限无界宇宙模型 3 伽莫夫的大爆炸宇宙论 4 标准宇宙模型 5 宇宙早期的暴涨模型 6 暗物质与暗能量 往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。 －《淮南子·齐俗训》 淮南子·齐俗训》
9.1 牛顿的静态宇宙观
宇宙的未来
定义宇宙密度参数 0 =ρ/ρc 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
宇宙的未来
> 1, 膨胀 收缩 膨胀→收缩 0 < 1, 无限膨胀 0 = 1, 无限膨胀
宇宙微波背景辐射温度变化（蓝色： 红色： 宇宙微波背景辐射温度变化（蓝色：2.724 K ，红色： 2.732 K.） ） 太阳运动的朝向与被向方向的温度分别变化10 太阳运动的朝向与被向方向的温度分别变化 -3
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， 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。 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， 小的不均匀性，正是这 种不均匀性导致了星系 的形成。 的形成。
牛顿静态宇宙观的精髓： 牛顿静态宇宙观的精髓：
• 绝对空间是静止不动的。 绝对空间是静止不动的。 • 绝对时间是永远流逝的。 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。 空间和时间都永无止境，没有起源，
奥伯斯佯谬
德国的医生兼业余天文学家奥伯斯 1823年提 的医生兼业余天文学家奥伯斯于 由德国的医生兼业余天文学家奥伯斯于1823年提 1826年修订 年修订。 出，于1826年修订。 确切的表述是，如果宇宙是稳恒，无限大， 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 空平直的，其中均匀分布着同样的发光体， 光体的照度与距离的平方成反比， 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， 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， 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。 应当是无限亮的。
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 ρM ≈ (0.3-0.4)ρc = (0.3-0.4) ×10-29 gcm-3 >ρR ≈ 4×10-34 gcm-3 × →目前的宇宙是物质主导的 目前的宇宙是物质主导的
2. 特点
• 1989年宇宙背景探测仪（COBE）对0.5毫米 年宇宙背景探测仪（ 毫米年宇宙背景探测仪 ） 毫米 10厘米波段的宇宙背景辐射进行观测 厘米波段的宇宙背景辐射进行观测 • 高度各向同性 • 2.74 K黑体辐射 黑体辐射
微波背景辐射谱
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 利用太阳运动多普勒效应对背景辐射的影响， 定太阳以400 km/s速度向为狮子座（Leo）方向运动 速度向为狮子座（ 定太阳以 速度向为狮子座 ）
• 1915年Einstein建立广义相对论 年 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 年 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， 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 发现方程的解是不稳定的， 发现方程的解是不稳定的 胀或者收缩。 胀或者收缩。 • Einstein认为宇宙应该是永恒的、稳定的。 认为宇宙应该是永恒的、 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， 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”Λ项， 加入一个起斥力作用“ 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）。 得到一个静态宇宙模型（有限无边，没有中心）。
9.4 标准宇宙模型
宇宙微波背景辐射
1. 发现
• Gamov, Alpher和Herman 预言 预言5-50K的宇宙大爆炸的残 和 的 余背景辐射； 余背景辐射；1964年Dicke, Peebles, Roll和Wilkinson 年 和 计算得到背景辐射为温度10 的黑体辐射 的黑体辐射。 计算得到背景辐射为温度 K的黑体辐射。 • 1965年Penzias和Wilson在7.35厘米波长发现宇宙背景 厘米波长发现宇宙背景 年 和 在 厘米波长发现 中存在温度为3.5 K、各向同性的黑体辐射。 中存在温度为 、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 Radiation) 电影26分 电影 分
George Gamov
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9.3 伽莫夫的大爆炸理论
1948年 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。 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， 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， 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。 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， 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， 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 非凡的预言： 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， 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， 6K左右 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。 以冒一点热气。