《宇宙学常识》PPT课件

天
椭
银 麦本 玉大 室 后 ?
宇
狼
球
河 哲星 夫熊 女 发
宙
星
星
系 伦系 座座 星 星
边
系
半 星群 星星 系 系
缘
尺
径 云 系系 团 团
？
度
群群
泡沫状结构： 超团分布在超空洞的壁上
超团，超空洞
三. 宇宙学实验和模型
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《辞海》（上海辞书出版社1999）
宇宙：
• 天地万物的总称
• 四方上下曰宇，古往今来曰宙
de Vaculear等人给出H0 = 100 ± 10。
目前（2002）值：H0=(71±7)0.951.15 1/H0=(1.38 0.14)1010 年
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1. 广义相对论的创建
—— 正确的研究框架
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用108pc的尺子看宇宙
T
可能一切都变得简单：
密度：
温度： T
宇宙学原理：均匀，各向同性
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学术价值定律
简单问题 困难答案
高价值
宇宙学迷人之处！
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牛顿力学不能为宇宙学提供正确的研究框架 （无论有限还是无限）
如果有限，问：
1）中心在哪里？ 2）边界在哪里？边界外是什么？
• 宇宙是物质世界，不依赖于人的意识而客观
？？？？ 存在，并处在不断的运动和发展中，在时间
上没有开始开始没有终了，在空间上没有边 界没有尽头。
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物理的宇宙
宇宙＝时空＋非时空部分 宇宙＝所有存在，包括物质和能量 宇宙＝和人有关的宇宙 宇宙＝空间尺度109~1010pc？
时间尺度<1010年？
关于星空和宇宙的一些常识
和当今的一些猜想
物理科学与工程技术学院
为了什么？
一. 意义 二. 星空 三. 宇宙学实验、模型和猜想 四. 展望
一. 意义
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Record of SUPERNOVA on ORACLE 1300 BC
1405－33，郑和七下西洋 1492，哥伦布发现新大陆， 1519－21，麦
爱因斯坦引力场方程
描写弯曲的几何量 ～ 物质量（与能量和动量有关的量）
爱因斯坦张量 能量动量密度张量
GR12gR T
爱因斯坦引力场方程
G (x) g8cG 4NT(x)
Λ 宇宙常数
标准模型Λ＝0
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44
牛顿极限——缓变弱场极限
在缓变弱场极限下 g ||1
由短程线方程得
x(x)
(x)
c2 2
44
利用质点的能量动量密度张量 Tuu
由Λ＝0的爱因斯坦场方程得
244
8GN
c2
与牛顿引力方程一致： 24GN
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宇宙学原理和Robertson-Walker度规
宇宙学原理：在大于108pc的尺度，宇宙可以看 作是均匀和各向同性的。
Robertson-Walker度规（数学）
d2sR 2(t) 1 dk2r 2 rr2d2r2si2 nd2 d2t
x{x|1,2, ,d}
g (x)
引力场
物理时空：d=4
x4 ict
四阶黎曼曲率张量 R x x
仿射联络
1 2g gx g xgx
二阶里兹（Ricci）张量
R R
总曲率（标量）
R gR
质点的短程线方程
Bd1B d2s0
A
cA
d2x
d2
ddx
ddx0
相当于仅受引力作用的 质点的牛顿第二定律
Tycho Brahe
2004年5月22日X-ray image by
Chandra Observatory
Johannes Kepler, 1571-1630
T = k R3/2
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8
对科学没有任何促进！ 为什么？ 没有科学精神！
北京的第谷观星台 康熙十三年（1674）
宇宙学的科学动机：求知
屈原《天问》
700 b.c.
宇宙初始形成遵循什么规律？
宇宙形成之前又如何考究？
深遂的宇宙有限还是无限？
如何认识复杂的宇宙？
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温家宝：
一个民族有一些关 注天空的人，他们才有 希望；一个民族只是关 心脚下的事情，那是没 有未来的。
希望同学们经常仰 望天空，学会做人，学 会思考……
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《羊城晚报》 2007年5月17日
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二. 星空
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12
秋夜星空
共88个星座 室女座virgo
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Milky Way Galaxy
银河系示意图
几乎夜间所有看得见的恒星都只是太阳附近银盘 厚度范围内的星体。
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Of the 200 or so globular clusters that survive today, M3 is one of the largest and brightest, easily visible in the Northern hemisphere with binoculars. M3 contains about half a million stars, most of which are old and red. Light takes about 35,000 years to reach us from M3, which spans about 150 light years.
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十个里程碑
陆埮院士,中国科学院 紫金山天文台
支配宇宙的力（万有引力）的发现（Kepler1619,Newton1687） 星系与大尺度结构的发现（Shapley1918,Hubble1923） 广义相对论的创建：正确的研究框架(Einstein,1916) 宇宙膨胀的发现（Hubble1929,Friedmann1922） 大爆炸宇宙学的提出与检验（Penzias+Wilson1965, Gamow 1948 ） 暗物质的发现( Zwicky 1933, 众人1984以后认为非重子暗物质为主) 暴胀宇宙学（80‘） 宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出） (~2003) 微波背景辐射各向异性的发现(1992-2003) 精确宇宙学－和谐宇宙学（2000-）
空间有限而无边，时间无限 爱因斯坦模型经不起微扰，不稳定 这是第一个现代宇宙学模型
如果没有Λ项，爱因斯坦方程不允许静止宇宙解。
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48
宇宙是稳定的吗？
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2.宇宙膨胀的发现
哈勃红移定律
星系红移量 Z (e)/e (H 0/c )D
哈勃常数（1929)
即退行速度 v H0D
H0~50k0m /s/Mpc
宋朝（1054）
金牛座 星蟹状星云
仙女座大星云
河外星系---银河 系的邻近星系
与银河系很相似
星系在宇宙中的分布 比较均匀
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星系种种
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星系团-Tyson照片
黄色的天体构 成星系团
暗弱的兰色星 系构成弧状， 是远处星系的 引力透镜像
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单位pc,
1pc=3.26光年
1
10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010
猎户座马头星云中的原恒星形 成(哈伯望远镜)。
原恒星收缩要释放引力势能，其中一部 分转化成动能，从而使中心区温度升高。
当中心温度升到107K左右，核心区将发生 氢转化为氦的热核反应。
逐渐地，热核反应释放的能量足以补偿 星体表面的辐射能，星体的缓慢收缩结束， 终于成为一颗恒星。
赫罗图
1907-1911年(丹麦) E.Hertzsprung 光度－颜色
恒星形成
Jeans 密度涨落机制
某区域的气体在自身引力作用下向其质心坍 缩，直至达到力学平衡——形成原恒星。
这是一个很快的过程。 恒星不是逐个地形成的，而是成批地形成的。
原恒星在星云中形成时的手指结构，照片中是老 鹰星云M16中的情景，三个柱状气体云顶端可见一些突 出的手指一样的结构，其顶端就是一个原恒星。
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何为弯曲空间？
| r | r r (x x )2 (y y )2 (z z )2 d2 sa 2 (d)2 a 2s2 i( n d)2
Y
B
弯曲的曲 面可以有 限但无边
A
X
曲率 R 2
a2
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一般的 d 维弯曲空间 线元长度的平方可现成：
坐标 度规场
d
ds2 g(x)dxdx ,
3维空间的曲率＝k/R2(t) 半径为r的“3维空间圆面积”＝4R2 (t)r 2 宇宙的 “3维空间体积”＝2 2R3(t)
R(t)有点像宇宙半径！
爱因斯坦宇宙
3 c2
P
c2
4G
R 0
静态
线元：d2 s R 2 { d2 /r 1 ( r 2 ) r 2 (d2 s2 id n 2 )}
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v H0D 离我们越远，退行速度越大：宇宙膨胀！
d+s
2d+2s
3d+3s
O
A1
A2
A3
d
2d
3d
哈勃
红移定律
各向同性
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近日由Ia型超新星确定的H0
H0 100h0 km/(s.Mpc) h00.710.07
Friedmann宇宙模型
动态宇宙，R-W度规， Λ＝0
d 2 s R 2 ( t)d { 2 /1 r ( r 2 ) r 2 ( d2 s2 id n 2 )}