清华大学天文学导论11宇宙学

哈勃图 Hubble Diagram
▪ 由于造父变星的周光关系的定标问题，哈勃低估了星 系距离，由此得出的哈勃常数是现代值的7倍之多！
H0 = 500 km/s/Mpc
H0＝71±4 km/s/Mpc
哈勃的数据
现代的数据
3。宇宙开始于一次大爆炸
▪ 哈勃定律：所有星系在过去是叠加在一起的 宇宙的一切（物质与辐射、能量）起源于一点， 即宇宙开始于一次大爆炸（the big bang）!
哈勃时间（Hubble time）1/H0
▪ 哈勃定律表明星系之间相互远离所持续的时间 相同，称为哈勃时间
• （与具体的星系及其距离无关）
时间
Leabharlann Baidu
距离 速度
距离 H0 距离
1 H0
哈勃时间
▪ 等速膨胀 1/H0 即为宇宙年龄
▪ H0＝71 km/s/Mpc 宇宙年龄 ~ 137亿年
宇宙学家很尴尬
红移是宇宙尺度因子改变的结果
▪ 红移直接测量辐射发出时的宇宙尺度因子，即 自从辐射发出以后宇宙尺度因子的改变
R(z) 1 1 z
Z=0, R=1 Z=1, R=1/2 Z=2, R=1/3 ......
勒梅特的原始原子论
▪ 1927年，比利时教士与天文学家勒梅特 （ Georges Lemaître ） 指出哈勃所观测到 的宇宙膨胀现象正是爱因斯坦引力场方程（广 义相对论描述宇宙）所预言的
▪ 我们的宇宙有一个起点（时间）
▪ 但这个起点在哪里？
▪ 宇宙大爆炸发生在任何一个地方
• 如果大爆炸点不同于宇宙其它地方 违背宇宙无 中心原理？
• 大爆炸不是简单地把物质抛向空间！（中心和边
界）
©
宇宙即创生？
▪ 星系并非自身在时空中相互远离，而是宇宙自 身的膨胀使得构成宇宙的星系相互远离
▪ 宇宙大爆炸是宇宙自身时空（空间、时间、物 质与能量）的创生与膨胀！
▪ 1920s，维斯托 ·斯莱弗（Vesto Slipher）： 绝大部分星系的吸收线红移 星系都在远离 我们而去 星系的退行速度
▪ 1929，埃德温 ·哈勃（Edwin Hubble）：星 系距离 + 星系退行速度 星系退行速度与距离成正比：
Vr ＝ H0×D，即哈勃定律 ▪ 大爆炸宇宙学的重要观测证据之一
天文学导论
第11讲 宇宙学
A man said to the universe: “Sir, I exist!” “However,” replied the universe, “The fact has not created in me A sense of obligation.”
Stephen Crane (1871—1900)
▪ 元素合成理论：著名B2FH理论
• 1983年诺贝尔物理学奖授予福勒
▪ 许多研究成果不符合正统的学术观点
4. 宇宙微波背景辐射
The Cosmic Microwave Background (CMB)
▪ 1948年, Alpher, Bethe 和 Gamov 预言 5-10K 的宇宙大爆炸的残余背景辐射
• 物理规律的普适性
▪ 宇宙学原理的两个推论：
• 宇宙中的物质分布是均匀的（空间尺度足够大） • 宇宙是各向同性的
▪ 宇宙学原理表明宇宙既要均匀又要各向同性 ▪ 数十年的观测证明宇宙学原理是经得起检验的
1.1 宇宙中物质是均匀分布的(Homogeneity) ▪ 宇宙在大尺度上（大于几亿光年的超团尺度）
均匀 ▪ 迄今没有发现尺度超过 ~6亿光年的结构 （→
宇宙是无边界的）
~105 galaxies
宇宙大尺度上的均匀性
▪ 约100万个星系在约30度天空范围内和约20亿 光年距离以内的分布
▪ 在这个尺度上，每个方向的星系计数大致相同
宇宙小尺度上的非均匀性
▪ 距离最近（约5亿光年距离以内）的15,000个 星系的全天图。在这个尺度上，宇宙中星系 的分布根本不均匀而是趋于成团的
尺度因子 scale factor （R）
▪ 宇宙的膨胀以尺度因子R来量度，无量纲化宇宙大小 ▪ R随宇宙膨胀而变大
• 过于<1 • 现在=1 • 未来>1
▪ 大爆炸的初期，宇宙很小
• T=1天，几倍太阳系 • T=1/50秒，地球大小 • ......, 原子，质子，......
▪ 宇宙的膨胀不影响局域的物理规律：原子、恒星、星 系或任何别的事情
1. 宇宙学原理
本讲内容
2. 宇宙在膨胀
3. 宇宙起源于一次大爆炸
4. 宇宙微波背景辐射
5. 宇宙的密度与形状（加速膨胀与暗 能量）
6. 暴胀宇宙
7. 宇宙大尺度结构的形成（暗物质
8. 宇宙的演化史
9. 结束语
1。宇宙学原理 Cosmological Principal
▪ 宇宙学原理：无论身处宇宙的何处，“观测者” 所看到的宇宙都是相同的
▪ 随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元 素相继形成 …… 预言轻元素丰度
▪ 预言宇宙大爆炸的5-10K残余背景辐射！！!
霍伊尔：稳恒态宇宙模型
▪ 1948年，弗雷德·霍伊尔（1915-2001）
• 与汤米·戈尔德、赫尔曼·邦迪 • 1960年代， CMB等，更新
▪ 1949年，BBC，“The Big Bang 大爆炸”， 嘲笑大爆炸模型。 “奇点”！？
▪ 因此，过去的宇宙必定比今天的宇宙占有较小 的空间尺度。并且，宇宙有一个起始之点，称 为“原始原子”
• （ 哈勃定律 [宇宙膨胀]、宇宙加速膨胀！ ）
αβγ大爆炸宇宙学
▪ 1940s, 伽莫夫（Gamov）和其学生阿尔夫 （Alpher）首先提出宇宙起源于约150亿年前 一次猛烈的巨大爆炸
• 1948年4月1日，发表论文的作者顺序： Alpher、 Bethe贝特和Gamov αβγ大爆炸宇宙学
本超星系团
隐带
英仙-双鱼超团
1.2 宇宙是各向同性的 (Isotropy)
▪ 从任何方向看，我们的宇宙大致都是相同的 （→ 宇宙没有中心）
身处宇宙任何地方的“观测者”向任 何方向看都能得到相同的哈勃定律
均匀，各向同性
不均匀，不各向同性
均匀，不各向同性
均匀，不各向同性
2。宇宙在膨胀 The Expanding Universe
▪ 1964年, Dicke, Peebles, Roll 和 Wilkinson 计 算得到背景辐射为温度 10K 的黑体辐射。准 备去寻找.....