经典宇宙学前沿讲座培训.ppt
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《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
.
29
《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
.
32
1. 广义相对论的创建
—— 正确的研究框架
.
33
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
.
34
学术价值定律
简单问题 困难答案
高价值
宇宙学迷人之处！
.
35
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。
.
30
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？
关于宇宙ppt课件
宇宙探索的未知性和挑战性激发 了人类的创新精神，推动了科学
技术的不断进步。
宇宙观念对人类思想的影响
拓宽人类视野
宇宙的广阔和无限让人类意识到自身的渺小，促 使人们思考生命的意义和价值。
促进哲学思考
宇宙观念对人类的哲学思考产生了深远影响，如 关于宇宙起源、生命意义等问题的探讨。
激发探索精神
宇宙探索激发了人类的探索精神，鼓励人们不断 探索未知领域，追求知识和真理。
宇宙的起源与演化
总结词
宇宙起源于一个非常热密的状态，被称为大爆炸，然后经过数十亿年的演化，形成了现 在的宇宙。
详细描述
宇宙起源于一个非常热密的状态，被称为大爆炸。在大爆炸之前，宇宙是一个极度高温 和高密度的状态，所有的物质和能量都集中在一个极小的空间中。随着时间的推移，宇 宙开始膨胀并冷却，星系、恒星和行星等逐渐形成。宇宙的起源与演化是一个复杂的过
程，目前科学家仍在不断研究和探索。
宇宙的组成与结构
总结词
宇宙由恒星、行星、星云、星系、黑洞等组成，具有层次结构和动态平衡。
详细描述
宇宙由无数的恒星、行星、星云、星系等组成，这些天体在引力的作用下形成层次结构和动态平衡。此外，宇宙 中还存在黑洞、暗物质等神秘物质，它们的存在对宇宙的整体结构和演化产生了重要影响。宇宙的组成与结构是 一个复杂而神秘的话题，科学家们仍在不断探索和发现新的天体和物质。
关于宇宙的ppt课件
contents
目录
• 宇宙的概述 • 星系与恒星 • 宇宙的探索与发现 • 宇宙的奥秘与未解之谜 • 宇宙对人类的意义与影响
CHAPTER 01
宇宙的概述
宇宙的定义
总结词
宇宙是一个广阔的空间，包含了所有的物质和能量，包括地球和人类。
技术的不断进步。
宇宙观念对人类思想的影响
拓宽人类视野
宇宙的广阔和无限让人类意识到自身的渺小，促 使人们思考生命的意义和价值。
促进哲学思考
宇宙观念对人类的哲学思考产生了深远影响，如 关于宇宙起源、生命意义等问题的探讨。
激发探索精神
宇宙探索激发了人类的探索精神，鼓励人们不断 探索未知领域，追求知识和真理。
宇宙的起源与演化
总结词
宇宙起源于一个非常热密的状态，被称为大爆炸，然后经过数十亿年的演化，形成了现 在的宇宙。
详细描述
宇宙起源于一个非常热密的状态，被称为大爆炸。在大爆炸之前，宇宙是一个极度高温 和高密度的状态，所有的物质和能量都集中在一个极小的空间中。随着时间的推移，宇 宙开始膨胀并冷却，星系、恒星和行星等逐渐形成。宇宙的起源与演化是一个复杂的过
程，目前科学家仍在不断研究和探索。
宇宙的组成与结构
总结词
宇宙由恒星、行星、星云、星系、黑洞等组成，具有层次结构和动态平衡。
详细描述
宇宙由无数的恒星、行星、星云、星系等组成，这些天体在引力的作用下形成层次结构和动态平衡。此外，宇宙 中还存在黑洞、暗物质等神秘物质，它们的存在对宇宙的整体结构和演化产生了重要影响。宇宙的组成与结构是 一个复杂而神秘的话题，科学家们仍在不断探索和发现新的天体和物质。
关于宇宙的ppt课件
contents
目录
• 宇宙的概述 • 星系与恒星 • 宇宙的探索与发现 • 宇宙的奥秘与未解之谜 • 宇宙对人类的意义与影响
CHAPTER 01
宇宙的概述
宇宙的定义
总结词
宇宙是一个广阔的空间，包含了所有的物质和能量，包括地球和人类。
探索宇宙ppt3 沪科版
1970年4月24，发射第一颗 人造地球卫星 1975.11.26，“返回遥感卫 星一号”，三天后成功回收 卫星。 1981年9月20，成功实现 “一箭多星” 1999年11月20号，我国第一 艘载人航天试验飞船“神一” 发射成功，标志着我国载人 航天技术取得突破性进展
神州五号遨游太空
中 国 实 现 飞 天 梦 2003.10.15，“神 5”发射成功杨利 伟是中国第一位进 入太空的人
宇宙从何 而来？
宇宙起源于150亿 年前的一次大爆炸
宇宙大爆炸模型
宇宙起源于一个“原始火 球”，……原始火球发生爆炸，这种爆 炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时 间、空间，爆炸导致宇宙空间处处膨胀， 温度降低，降到一定程度时，逐步形成 超星系团，星系团乃至恒星和行星等
星系在远离我们 当一列火车迎面开来的时候，我们 听到的汽笛声音调升高（声波的波长变 短），而当他远离我们时，音调就明显 降低．叫 多普勒效应 科学家们用仪器观测星系发出的 光，发现星系的光谱向长波方向偏移， 称之为谱线“红移”，这一现象说明 了 星系在远离我们
银河系
宇宙 组成 河外星系 千亿个 太阳 太阳系 行星
群星 弥漫物质
太阳系
千亿个
小结
地球
宇宙起源
宇宙大 爆炸 超 星 系 团 星 系 团 星 系
恒星
行星
小结
谱线“红移”，说明了星系在远离我
宇宙起源
宇宙大 爆炸 超 星 系 团 星 系 团 星 系
恒星
行星
小结
谱线“红移”，说明了星系在远离我
中国实现 飞天梦
这张混合图显示了太阳和其余5个最大的行星 的比例关系。（地球就是其中最小的星球。）
射电望远镜
哈 勃 望 远 镜
宇宙知识PPT课件
16
银河系和河外星系
17
银河系和河外星系
18
星系团
当我们把观测的尺度再放大， 宇宙可看成由大量星系构成的"介 质"，而恒星只是星系内部细致结 构的表现。这样，为了了解宇宙结 构，需关心星系在空间的分布规律 。 星系的空间分布不是无规 的，它也有成团现象。上千个以上 的星系构成的大集团叫星系团。大 约只有10%星系属于这种大星系团 。大部分星系只结成十几、几十或 上百个成员的小团。可以肯定的是 ，星系团代表了宇宙结构中比星系 更大的一个新层次。这层次的尺度 大小为百万秒差距，平均质量是星 系平均质量的100倍。
宇宙知识
目录
• 图片欣赏 • 课文辅导 • 练习游戏 • 扩展资料 • 课堂小结
3
4
5
课文辅导
宇宙定义 宇宙的起源 宇宙的年龄 宇宙的大小
宇宙的组成
6
宇宙定义
宇宙（Universe）是由 空间、时间、物质和 能量，所构成的统一 体。是一切空间和时 间的综合。一般理解 的宇宙指我们所存在 的一个时空连续系统 ，包括其间的所有物 质、能量和事件。
我们的宇宙到底有多大？ 在以前，如果你问天文学家这样一 个问题，你所得到的答案很可能仅 仅是告诉你当今的天文望远镜能够 看多远。现在，这种情况要改变了 。宇宙学家的最新研究成果告诉了 我们一个确切的数字：我们的宇宙 直径至少是780亿光年。
1光年，就是光在一年的时 间里传播的距离，大约相当于10亿 千米。目前人类的望远镜最远能够 看到280亿光年之外的宇宙景象。 由此可以看出，我们的宇宙真的很 大！
8
宇宙起源图
9
宇宙的年龄
宇宙年龄约为137.5亿 年
使用整个星系作为透镜观看 其他星系，目前研究人员 最新使用一种精确方法测 量了宇宙的体积大小和年 龄，以及它如何快速膨胀 。这项测量证实了“哈勃 常数”的实用性，它指示 出了宇宙的体积大小，证 实宇宙的年龄约为137.5亿 年。
银河系和河外星系
17
银河系和河外星系
18
星系团
当我们把观测的尺度再放大， 宇宙可看成由大量星系构成的"介 质"，而恒星只是星系内部细致结 构的表现。这样，为了了解宇宙结 构，需关心星系在空间的分布规律 。 星系的空间分布不是无规 的，它也有成团现象。上千个以上 的星系构成的大集团叫星系团。大 约只有10%星系属于这种大星系团 。大部分星系只结成十几、几十或 上百个成员的小团。可以肯定的是 ，星系团代表了宇宙结构中比星系 更大的一个新层次。这层次的尺度 大小为百万秒差距，平均质量是星 系平均质量的100倍。
宇宙知识
目录
• 图片欣赏 • 课文辅导 • 练习游戏 • 扩展资料 • 课堂小结
3
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5
课文辅导
宇宙定义 宇宙的起源 宇宙的年龄 宇宙的大小
宇宙的组成
6
宇宙定义
宇宙（Universe）是由 空间、时间、物质和 能量，所构成的统一 体。是一切空间和时 间的综合。一般理解 的宇宙指我们所存在 的一个时空连续系统 ，包括其间的所有物 质、能量和事件。
我们的宇宙到底有多大？ 在以前，如果你问天文学家这样一 个问题，你所得到的答案很可能仅 仅是告诉你当今的天文望远镜能够 看多远。现在，这种情况要改变了 。宇宙学家的最新研究成果告诉了 我们一个确切的数字：我们的宇宙 直径至少是780亿光年。
1光年，就是光在一年的时 间里传播的距离，大约相当于10亿 千米。目前人类的望远镜最远能够 看到280亿光年之外的宇宙景象。 由此可以看出，我们的宇宙真的很 大！
8
宇宙起源图
9
宇宙的年龄
宇宙年龄约为137.5亿 年
使用整个星系作为透镜观看 其他星系，目前研究人员 最新使用一种精确方法测 量了宇宙的体积大小和年 龄，以及它如何快速膨胀 。这项测量证实了“哈勃 常数”的实用性，它指示 出了宇宙的体积大小，证 实宇宙的年龄约为137.5亿 年。
探索宇宙ppt课件
05
CATALOGUE
天文观测技术与未来展望
天文望远镜的发展与革新
01 02
光学望远镜
从牛顿望远镜到当代的大型光学望远镜，如凯克望远镜和欧洲南方天文 台的甚大望远镜，这些望远镜能够捕捉到遥远星系的细节，帮助我们了 解宇宙的起源和演化。
射电望远镜
射电望远镜可以捕捉到来自宇宙的无线电波，帮助我们了解宇宙中的射 电源，如脉冲星、射电星系等。
总结词
星系的结构包括星系核、星系晕和星系盘。星系 核是星系的中心，通常包含一个超大质量黑洞； 星系晕是围绕星系核的稀疏物质球；星系盘是恒 星和其他物质构成的扁平盘。
详细描述
星系的形成是一个复杂而多变的过程。在宇宙大 爆炸后，随着物质的聚集和引力作用，逐渐形成 了恒星和恒星团，这些恒星和恒星团进一步聚集 形成星系。
宇宙探索对人类的价值观 影响
宇宙探索让人类认识到自身的渺小与无知， 从而更加珍视和关注生命、环保等议题，激 发了人们的探索精神和对生命的敬畏之情。
人类在宇宙中的地位与责任
人类在宇宙中的地位
虽然人类在宇宙中微不足道，但有着 无限的可能性，可以借助科技的力量 不断拓展自己的生存空间。
人类在宇宙中的责任
详细描述
宇宙中的物质包括原子、分子、星体、尘埃、暗物质等，它们在宇宙中的分布和状态随着时间和空间 的变化而变化。能量在宇宙中以各种形式存在，包括辐射、粒子、引力场等，它们在宇宙中的分布和 状态也随着时间和空间的变化而变化。
03
CATALOGUE
星系与恒星
星系的形成与结构
总结词
星系是宇宙中规模巨大的天体结构，由数十亿到 数千亿的恒星组成，具有复杂的结构和运动。
挑战
随着观测设备的灵敏度和精度的提高，数据处理和分析的难度也将增加。此外， 随着天文观测技术的发展，我们需要更多的专业人才来操作和维护这些设备，保 证观测结果的准确性和可靠性。
宇宙知识PPT课件
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银河系和河外星系
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银河系和河外星系
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星系团
当我们把观测的尺度再放大， 宇宙可看成由大量星系构成的"介 质"，而恒星只是星系内部细致结 构的表现。这样，为了了解宇宙结 构，需关心星系在空间的分布规律 。 星系的空间分布不是无规 的，它也有成团现象。上千个以上 的星系构成的大集团叫星系团。大 约只有10%星系属于这种大星系团 。大部分星系只结成十几、几十或 上百个成员的小团。可以肯定的是 ，星系团代表了宇宙结构中比星系 更大的一个新层次。这层次的尺度 大小为百万秒差距，平均质量是星 系平均质量的100倍。
8
宇宙起源图
9
宇宙的年龄
宇宙年龄约为137.5亿 年
使用整个星系作为透镜观看 其他星系，目前研究人员 最新使用一种精确方法测 量了宇宙的体积大小和年 龄，以及它如何快速膨胀 。这项测量证实了“哈勃 常数”的实用性，它指示 出了宇宙的体积大小，证 实宇宙的年龄约为137.5亿 年。
10
宇宙的大小
19
大尺度结构
今天人们把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构（目前观测到 的宇宙的大小是104Mpc）。至今大尺度上的观测事实远不是十分明确 的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有 许多看不到星系的"空洞"区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或 片状结构。这一层次的结构叫超星系团。它的典型尺度为几十兆秒差 距。 从演化理论来考虑，尺度大到一定程度，应不再有结构存 在。这是否符合事实，以及这尺度多大，都是十分重要，并需要有大 尺度观测来回答的问题。现今对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结 构现象存在，正是人们热烈争论中的焦点。 总之，若把星系看 成宇宙物质的基本单元，那么星系的分布状况就是宇宙结构的表现。 现在看来，直至50Mpc的尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构。 这就是我们对宇宙面貌的基本认识。
银河系和河外星系
17
银河系和河外星系
18
星系团
当我们把观测的尺度再放大， 宇宙可看成由大量星系构成的"介 质"，而恒星只是星系内部细致结 构的表现。这样，为了了解宇宙结 构，需关心星系在空间的分布规律 。 星系的空间分布不是无规 的，它也有成团现象。上千个以上 的星系构成的大集团叫星系团。大 约只有10%星系属于这种大星系团 。大部分星系只结成十几、几十或 上百个成员的小团。可以肯定的是 ，星系团代表了宇宙结构中比星系 更大的一个新层次。这层次的尺度 大小为百万秒差距，平均质量是星 系平均质量的100倍。
8
宇宙起源图
9
宇宙的年龄
宇宙年龄约为137.5亿 年
使用整个星系作为透镜观看 其他星系，目前研究人员 最新使用一种精确方法测 量了宇宙的体积大小和年 龄，以及它如何快速膨胀 。这项测量证实了“哈勃 常数”的实用性，它指示 出了宇宙的体积大小，证 实宇宙的年龄约为137.5亿 年。
10
宇宙的大小
19
大尺度结构
今天人们把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构（目前观测到 的宇宙的大小是104Mpc）。至今大尺度上的观测事实远不是十分明确 的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有 许多看不到星系的"空洞"区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或 片状结构。这一层次的结构叫超星系团。它的典型尺度为几十兆秒差 距。 从演化理论来考虑，尺度大到一定程度，应不再有结构存 在。这是否符合事实，以及这尺度多大，都是十分重要，并需要有大 尺度观测来回答的问题。现今对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结 构现象存在，正是人们热烈争论中的焦点。 总之，若把星系看 成宇宙物质的基本单元，那么星系的分布状况就是宇宙结构的表现。 现在看来，直至50Mpc的尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构。 这就是我们对宇宙面貌的基本认识。
宇宙学简介PPT课件
天文观测基础与实践 8-9周 2013.11 : 活水泉
1
0.绪 0.1引言
宇宙学: 说到宇宙,你想到了什么?
2
0.绪 0.1引言
最初学习天文的动力: 这 是一门大气磅礴的科学
什么是宇宙?宇宙有边界 吗?如果有,那么它外面 是什么?什么是时间?什 么是空间?
3
0.绪 0.1引言
这也是古人研究宇宙的 动力之一.
星系团?总星系? 宇宙年龄?宇宙物质分布? 宇宙膨胀?大爆炸? 宇宙中的化学元素丰度? ……
25
26
2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述
2.0绪
2.0.2现代宇宙学概述 2.0.2.1研究内容和思路
大尺度上天体 系统运动形态
观测宇 宙学
• 通过观测发 现大尺度的 宇宙特征
大尺度上天体
系统结构特征
1-2次课
6
0.绪 0.2计划
• 内容:人类对宇宙的最初认识
古代 • 目的:了解宇宙学的起源
近代
• 内容:随着近代思想的解放和自然科学的发展, 人类对宇宙更深入的探索与描述
• 目的:尝试在理解近代科学的基础上了解宇宙 学的发展
• 内容:标准宇宙学
现代 • 目的:科学地初步认识感受宇宙
7
1.古代人类对宇宙的认识
然而,这里有些问题至今 仍是谜团;有些由于繁杂 的理论推导我们暂时不 能理解
4
0.绪 0.1引言
但是,虽然在这次课上,你 理解不了宇宙的全部,但 只要你以这些知识为基 础继续求索,或许有一天, 宇宙的奥秘就展现在了 你面前.
5
0.绪 0.2计划
本课计划
基本上按照天文学和科学史的时间 发展顺序.
理论宇 宙学
1
0.绪 0.1引言
宇宙学: 说到宇宙,你想到了什么?
2
0.绪 0.1引言
最初学习天文的动力: 这 是一门大气磅礴的科学
什么是宇宙?宇宙有边界 吗?如果有,那么它外面 是什么?什么是时间?什 么是空间?
3
0.绪 0.1引言
这也是古人研究宇宙的 动力之一.
星系团?总星系? 宇宙年龄?宇宙物质分布? 宇宙膨胀?大爆炸? 宇宙中的化学元素丰度? ……
25
26
2. 近代科学发展基础上人类对宇宙的探索与描述
2.0绪
2.0.2现代宇宙学概述 2.0.2.1研究内容和思路
大尺度上天体 系统运动形态
观测宇 宙学
• 通过观测发 现大尺度的 宇宙特征
大尺度上天体
系统结构特征
1-2次课
6
0.绪 0.2计划
• 内容:人类对宇宙的最初认识
古代 • 目的:了解宇宙学的起源
近代
• 内容:随着近代思想的解放和自然科学的发展, 人类对宇宙更深入的探索与描述
• 目的:尝试在理解近代科学的基础上了解宇宙 学的发展
• 内容:标准宇宙学
现代 • 目的:科学地初步认识感受宇宙
7
1.古代人类对宇宙的认识
然而,这里有些问题至今 仍是谜团;有些由于繁杂 的理论推导我们暂时不 能理解
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0.绪 0.1引言
但是,虽然在这次课上,你 理解不了宇宙的全部,但 只要你以这些知识为基 础继续求索,或许有一天, 宇宙的奥秘就展现在了 你面前.
5
0.绪 0.2计划
本课计划
基本上按照天文学和科学史的时间 发展顺序.
理论宇 宙学
宇宙的起源与演化(50张ppt)
大爆炸的证据
1）恒星是在温度下降后产生的，寿命应小于２ ００亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
2）宇宙正在膨胀
A 哈勃将从不同星系特定原子，如氢、氦 发射的光谱线与地球上对应的光谱线相 比较发现：系统性的红移现象，可求 “退行（逃离）速度”；“光源越远的 星体，离我们而去的速度也越快”（哈 勃定律）->整个总星系处于膨胀的变化 中，已成共识；
这违反了许多的普适守恒定律。
《BIG BANG》－大爆炸
宇宙的全部物质，当初都集中在一个 “原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常 紧密
温度约1032°K，绝对温度1亿亿亿亿度 显然这只能维持极其暂短的平衡，一旦
平衡破坏，就发生大爆炸，原始原子 迅速膨胀，逐渐扩展成为我们的宇宙
宇宙大爆炸理论：（许多科学家）大爆炸前，物质 和反物质处于极高温和超密状态，在某种条件下开 始大爆炸。在10 1044 秒后体积急剧膨胀，在101034 秒内，体积膨胀了1010100倍，密度降低了。在1秒后 温度仍高达10 1032 -10 1010 K，原子和分子均不存 在。辐射能以电子、质子、中子、中微子等基本粒 子形式存在。
月球、水星、金星、太阳、火 星、木星和土星分别在七个天 层里围绕地球转动，其外为恒 星天层；最外边 的原动力天层
希腊天文学家托勒密（Claudius Ptolemy, 90？～168）
补充了行星在被称为均轮轨道上围绕地球转 动时，同时也在自己的、被称本轮的较小的 圆形轨道上转动等内容。
亚里士多德 - 托勒密的地球中心说，被人们 奉为真理，长达十几个世纪。在一般人的感 觉中，太阳真是好像在围着地球转（据美国 1997年调查，在该国，仍有27%的人不知道地 球是在围着太阳转）
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证实背景辐射具有黑体谱：必须在毫米和 亚毫米波段进行测量
这样波段上地球大气的影响变得复杂麻烦
背景辐射谱的形状，80年代末前没有共识 COBE (宇宙背景探测者卫星，1989年)
地球大气外测量→真正确定背景辐射具有 黑体谱
DMR (COBE上另一套仪器)：背景辐射 在不同方向上的温度差异
理论得出的真空能量非常巨大，其密度比 宇宙物质密度大一百多个量级
爱因斯坦，1917年：静态宇宙模型，在引 力方程中引入宇宙常数
一种压强p=－ρ的物质
负压强提供斥力：平衡引力得到静态宇宙 几年后，天文学家发现宇宙膨胀初步迹象
爱因斯坦敏感地接受了这些发现的启示， 去掉了宇宙常数
量子场论：真空能量，每一个场都有一个 基态，其能量不为零
这种能量的性质和宇宙常数一样，爱因斯 坦方程不能区分它们
宇宙学前沿讲座
宇宙微波背景辐射 暗能量 暗物质 弦宇宙学
宇宙微波背景辐射
原初核合成结束后,宇宙气体处于电离状态 光子处于热平衡 热碰撞：主要是与自由电子的汤姆逊散射 宇宙年龄∽4*105年，宇宙温度：0.3eV
大部分电子和原子核结合为中性原子
电子密度迅速降低→光子碰撞率急剧减少, 最后完全失去碰撞机会：光子退耦
COBE
背景光子在形成前很接近热平衡：任一方向 上辐射强度与频率的关系满足黑体辐射关系
的 观 测 结 果
理论：背景辐射形成时温度∽0.3eV(3000K)
现测背景辐射温度：2.75K
这些光子的红移：z=1100
由此可知背景光子从退耦到现在的时间， 最后散射面离我们的距离（理论上我们可 以观测到的最远距离）
光子与宇宙其它粒子几乎没有相互作用： 背景光子或背景辐射场
此时的光子状态将被保留下来 中性原子形成和光子退耦：
同一过程的两个方面
宇宙微波背景辐射：大爆炸理论主要预言 今天应该能观测到 微波背景观测：大爆炸理论的重要证据 最早的观测：1965年 微波背景的进一步研究和观测：
从中获取更多早期宇宙的信息
早期宇宙有微小的密度起伏 微波背景辐射也有微小的起伏 观测：不同方向背景辐射温度有微小的差别
温 度 分 布
背景辐射的发现
伽莫夫提出大爆炸理论时学术界普遍不信 任这个理论
没人想到用实际观测来证实或证伪背景辐 射的存在
Dicke，Peebles(1960年代初普林斯顿大学) 打算让年轻人Roll和Wilkinson制作仪器来 测量背景辐射的温度
样子
今天观测到的背景光子应来自遥远的地方 退耦前光子状态被最后一次光子电子散射抹 掉：
看不到光子退耦以前宇宙的模样
大爆炸理论：宇宙早期高度均匀 最后的散射面是球形，球面上气体等温 今天观测到的光子来自于最后散射面 从不同方向作测量,应测到同样的辐射强度
他们无疑会成功地测到背景辐射
他们意外地得知贝尔实验室在射电波段测 到了背景辐射的信号
Penzias，Wilson：射电天文研究，调试20 英尺角形反射天线的背景噪音
测到的背景噪音温度为6.7K： 2.3K来自大气层 0.9K来自天线内的欧姆损耗 剩下3.5K不知来源
天线中不明噪音是贝尔实验室老问题，实 用上不需要弄清其来源
R3
宇宙加速膨胀→总物质压强p和密度ρ的 关系：ρ+3p<0，p<-1/3ρ
压强：辐射物质p=ρ/3，一般物质p=0
宇宙加速膨胀：现在宇宙介质中存在具有 负压物质，并且占很大比例
引力作用使宇宙膨胀减速，负压强提供斥 力，使宇宙加速膨胀
具有负压引起宇宙加速膨胀物质：暗能量 最简单的暗能量：真空能量或宇宙常数
Penzias和Wilson： 1978年度诺贝尔物理学奖
就微波背景辐射问题本身而言， Penzias和 Wilson的发现不足以令怀疑者信服
单一频率（4080兆赫）测量无法证实理论 预言的背景辐射具有黑体辐射谱特征
此后十年：发现这种各向同性信号在许多 波长上都存在，定出的相应温度大体一致
宇宙平坦性的精确测定也来自对微波背景 辐射测量
WMAP结果十分支持宇宙暗能量的存在， 并对其所占的比例也有很强的推断
与其它宇宙观测结合，测得的宇宙模型中 各参数的精度可以得到进一步提高
暗能量
1998年，超新星观测结果： 宇宙正在加速膨胀
爱因斯坦方程
R 4G ( 3p)
不同方向上相隔10。两点温度差的平均
结果： T / T0 5106
理论：结构形成的下限是10-6
如果 T / T0 110，6 到今天星系还来不
及形成
2006年度诺贝尔物理学奖：约翰-马瑟和乔 治-斯莫特(美国)：发现黑体形态和宇宙微 波背景辐射扰动现象
COBE对背景辐射扰动测量的精度很低
光子从最后散射面到地球的过程中有可能 与一般物质相互作用(如被星际物质散射)
星系发出的光和背景辐射一样会被观测到
它们对背景辐射的影响非常小
地球相对均匀的宇宙背景有相对运动,如地 球的公转及银河系的转动及相对运动
观测者的运动引起多普勒效应：不同方向 上测到的背景温度有差别
要得到真正来自最后散射面的背景辐射,要 消除这些噪音和效应的影响
Penzias和Wilson执着地要弄清它 把天线拆开，弄走了在里面做窝的鸽子
一番努力，排除了不明噪音来自天线内部 或邻近环境的可能，没有发现起因
只能确定这是一个来自远处的辐射信号
幸运：贝尔实验室离普林斯顿大学很近
两组人接触讨论后分别写了一篇论文，发 表在同一期天体物质杂志上
Penzias和Wilson的论文仅有一千字左右： 微波背景辐射发现是宇宙学发展中最重大 的事件之一
更多宇宙早期信息和宇宙现状的了解：必 须提高测量的精度
WMAP (2001年，威尔金森微波各向异性探 测器，美国国家航空航天局)：背景辐射在 不同方向温度的测量精度得到很大提高
WMAP
Planck(2007年)： 提供最高分辨率的CMB图像
微波背景辐射扰动谱测量：可以推断宇宙 许多整体参量，如哈勃常数、物质比例等
这样波段上地球大气的影响变得复杂麻烦
背景辐射谱的形状，80年代末前没有共识 COBE (宇宙背景探测者卫星，1989年)
地球大气外测量→真正确定背景辐射具有 黑体谱
DMR (COBE上另一套仪器)：背景辐射 在不同方向上的温度差异
理论得出的真空能量非常巨大，其密度比 宇宙物质密度大一百多个量级
爱因斯坦，1917年：静态宇宙模型，在引 力方程中引入宇宙常数
一种压强p=－ρ的物质
负压强提供斥力：平衡引力得到静态宇宙 几年后，天文学家发现宇宙膨胀初步迹象
爱因斯坦敏感地接受了这些发现的启示， 去掉了宇宙常数
量子场论：真空能量，每一个场都有一个 基态，其能量不为零
这种能量的性质和宇宙常数一样，爱因斯 坦方程不能区分它们
宇宙学前沿讲座
宇宙微波背景辐射 暗能量 暗物质 弦宇宙学
宇宙微波背景辐射
原初核合成结束后,宇宙气体处于电离状态 光子处于热平衡 热碰撞：主要是与自由电子的汤姆逊散射 宇宙年龄∽4*105年，宇宙温度：0.3eV
大部分电子和原子核结合为中性原子
电子密度迅速降低→光子碰撞率急剧减少, 最后完全失去碰撞机会：光子退耦
COBE
背景光子在形成前很接近热平衡：任一方向 上辐射强度与频率的关系满足黑体辐射关系
的 观 测 结 果
理论：背景辐射形成时温度∽0.3eV(3000K)
现测背景辐射温度：2.75K
这些光子的红移：z=1100
由此可知背景光子从退耦到现在的时间， 最后散射面离我们的距离（理论上我们可 以观测到的最远距离）
光子与宇宙其它粒子几乎没有相互作用： 背景光子或背景辐射场
此时的光子状态将被保留下来 中性原子形成和光子退耦：
同一过程的两个方面
宇宙微波背景辐射：大爆炸理论主要预言 今天应该能观测到 微波背景观测：大爆炸理论的重要证据 最早的观测：1965年 微波背景的进一步研究和观测：
从中获取更多早期宇宙的信息
早期宇宙有微小的密度起伏 微波背景辐射也有微小的起伏 观测：不同方向背景辐射温度有微小的差别
温 度 分 布
背景辐射的发现
伽莫夫提出大爆炸理论时学术界普遍不信 任这个理论
没人想到用实际观测来证实或证伪背景辐 射的存在
Dicke，Peebles(1960年代初普林斯顿大学) 打算让年轻人Roll和Wilkinson制作仪器来 测量背景辐射的温度
样子
今天观测到的背景光子应来自遥远的地方 退耦前光子状态被最后一次光子电子散射抹 掉：
看不到光子退耦以前宇宙的模样
大爆炸理论：宇宙早期高度均匀 最后的散射面是球形，球面上气体等温 今天观测到的光子来自于最后散射面 从不同方向作测量,应测到同样的辐射强度
他们无疑会成功地测到背景辐射
他们意外地得知贝尔实验室在射电波段测 到了背景辐射的信号
Penzias，Wilson：射电天文研究，调试20 英尺角形反射天线的背景噪音
测到的背景噪音温度为6.7K： 2.3K来自大气层 0.9K来自天线内的欧姆损耗 剩下3.5K不知来源
天线中不明噪音是贝尔实验室老问题，实 用上不需要弄清其来源
R3
宇宙加速膨胀→总物质压强p和密度ρ的 关系：ρ+3p<0，p<-1/3ρ
压强：辐射物质p=ρ/3，一般物质p=0
宇宙加速膨胀：现在宇宙介质中存在具有 负压物质，并且占很大比例
引力作用使宇宙膨胀减速，负压强提供斥 力，使宇宙加速膨胀
具有负压引起宇宙加速膨胀物质：暗能量 最简单的暗能量：真空能量或宇宙常数
Penzias和Wilson： 1978年度诺贝尔物理学奖
就微波背景辐射问题本身而言， Penzias和 Wilson的发现不足以令怀疑者信服
单一频率（4080兆赫）测量无法证实理论 预言的背景辐射具有黑体辐射谱特征
此后十年：发现这种各向同性信号在许多 波长上都存在，定出的相应温度大体一致
宇宙平坦性的精确测定也来自对微波背景 辐射测量
WMAP结果十分支持宇宙暗能量的存在， 并对其所占的比例也有很强的推断
与其它宇宙观测结合，测得的宇宙模型中 各参数的精度可以得到进一步提高
暗能量
1998年，超新星观测结果： 宇宙正在加速膨胀
爱因斯坦方程
R 4G ( 3p)
不同方向上相隔10。两点温度差的平均
结果： T / T0 5106
理论：结构形成的下限是10-6
如果 T / T0 110，6 到今天星系还来不
及形成
2006年度诺贝尔物理学奖：约翰-马瑟和乔 治-斯莫特(美国)：发现黑体形态和宇宙微 波背景辐射扰动现象
COBE对背景辐射扰动测量的精度很低
光子从最后散射面到地球的过程中有可能 与一般物质相互作用(如被星际物质散射)
星系发出的光和背景辐射一样会被观测到
它们对背景辐射的影响非常小
地球相对均匀的宇宙背景有相对运动,如地 球的公转及银河系的转动及相对运动
观测者的运动引起多普勒效应：不同方向 上测到的背景温度有差别
要得到真正来自最后散射面的背景辐射,要 消除这些噪音和效应的影响
Penzias和Wilson执着地要弄清它 把天线拆开，弄走了在里面做窝的鸽子
一番努力，排除了不明噪音来自天线内部 或邻近环境的可能，没有发现起因
只能确定这是一个来自远处的辐射信号
幸运：贝尔实验室离普林斯顿大学很近
两组人接触讨论后分别写了一篇论文，发 表在同一期天体物质杂志上
Penzias和Wilson的论文仅有一千字左右： 微波背景辐射发现是宇宙学发展中最重大 的事件之一
更多宇宙早期信息和宇宙现状的了解：必 须提高测量的精度
WMAP (2001年，威尔金森微波各向异性探 测器，美国国家航空航天局)：背景辐射在 不同方向温度的测量精度得到很大提高
WMAP
Planck(2007年)： 提供最高分辨率的CMB图像
微波背景辐射扰动谱测量：可以推断宇宙 许多整体参量，如哈勃常数、物质比例等