宇宙大爆炸和宇宙暗能量(简1)

z = Hd
→
V = Hd c
H: Hubble常数 常数
所有遥远的河外星系的光谱线全部都在远离我们运动， 所有遥远的河外星系的光谱线全部都在远离我们运动，而且距离愈 远的星系，远离速度愈快。 远的星系，远离速度愈快。 宇宙正在膨胀 (Lematire, 1927)
物理本质
光子的波长随着宇宙的膨胀在同步膨胀。 光子的波长随着宇宙的膨胀在同步膨胀。
宇宙大尺度结构
(bubbles 200 Mly across)
可见宇宙的大小
— Hubble 距离
L ~ 1028 厘米
TL ~ 3×1017 s ~ 1010 yr
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
宇宙膨胀 的 发现
宇宙膨胀物理规律
宇宙半径(或任两点间距离 随时间膨胀 宇宙半径 或任两点间距离)随时间膨胀 或任两点间距离 随时间膨胀:
R(t )
(当 t 增长 当 增长)
同模(均匀)膨胀规律: 同模(均匀)膨胀规律: 单位体积辐射能： 单位体积辐射能： 单位体积物质静止能: 单位体积物质静止能:
ρ R 3 = 常数
Lemaitre的原始原子理论 Lemaitre的原始原子理论
•1927年，比利时传教士和天文学 1927年 1927 Lematire重新得到 重新得到Einstein 家G. Lematire重新得到Einstein 引力场方程的Friedman Friedman解 引力场方程的Friedman解。 •Lematire指出哈勃观测到的宇宙 Lematire指出哈勃观测到的宇宙 Lematire 膨胀现象正是Einstein Einstein引力场方程 膨胀现象正是Einstein引力场方程 所预言的。因此， 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 物质更有序。 度、物质更有序。最理想的有序状 态莫过于整个宇宙的物质包含在一 个原子里。因此、 个原子里。因此、宇宙有一个起始 之点，称为“原始原子” 之点，称为“原始原子”。
aT 4
TR = 常数
ρc
2
t → −∞ ,
R → 0,
ρ →∞
T →∞
宇宙热大爆炸 (当 t 增加长) 增加长)
宇宙极早期, 物质处于高温、高密度状态 宇宙极早期 物质处于高温、
单位体积辐射能 aT 4 1 = ∝ 2 R 单位体积物质静止能 ρ c
物质为主与辐射为主的宇宙 • 宇宙中的物质包括可见物质与暗物质 物质密度随红移的演化 关系为 • 辐射主要来自微波背景辐射 -29 g cm-3 ρ (t ) = ρ (t0 )(1 + z )3(ω +1) M ≈ (0.3-0.4) c = (0.3-0.4) ×10 > R ≈ T TR4 / c2 = 4.8×10 -34 g cm-3 →目前的宇宙是物质主导的
Abbe George LeMaitre
The father of the Big Bang cosmology
1929年，哈勃仅用24个星系的观测资料，做出了距离与 视向速度的关系图。 Hubble定律 Vr = H 0 d
Velocity (km/sec)
• 星系退行速度和星系距 离成正比 • 所有的天体在远离我们 而去， 宇宙在膨胀。 • 宇宙的年龄是有限的， 它有一个起点。
J=3 3873.369 Å J=2 J=1 J=0 3875.763 Å 分子 转动 能级 跃迁 3873.998 Å
3874.603 Å
J=3 λ0.132cm J=2 J=1 λ0.264cm J=0 P(1) R(0) R(1) R(2)
推论
如果星际空间背景为0 K, 则CN分子只能处于基态。而P(1)、 R(1)谱线的存在表明有一定数量的分子处于第一激发态。这 是由于受到相当于2.3 K的辐射的激发 2.3 K的辐射(黑体辐射)对应于光波波长为0.624cm—微波波区 这表明星际空间可能充满了2.3 K的背景辐射。 遗憾: 当时的天文观测者对膨胀宇宙学毫无了解。 遗憾 当时的天文观测者对膨胀宇宙学毫无了解。他们并未作出 宇宙学的结论。 宇宙学的结论。
Ωi =
ρi ρ cr
h = 0.5 − 0.8
ΩM + Ωk +
Friedmann’s equation显然可以改写为
∑Ω
i
i
=1
宇宙微波背景辐射的理论预言(1948) 宇宙微波背景辐射的理论预言(1948)
Gamow 的宇宙热大爆炸学说曾预言:宇宙大爆炸后，早期宇宙产生 的热辐射经宇宙膨胀后遗留下 5 K 的微波背景辐射。 遗憾:当时未引起物理学家和天文学家的重视与承认。 遗憾: 原因: 原因: 1)Gamow学说的重点在于宇宙中所有较重的化学元素主要起源于 1) 宇宙热大爆炸。后来的研究表明：这是错误的。 2)理论学家和实验家(天文观测学家)互不了解、互不沟通信息。 2) 3) 宇宙早期理论当时被当作天方夜谈式的幻想!
λ − λ0 V z= = λ0 c
V:光源相对于我们的速度(远离为正, 接近为负); c:光速 V:光源相对于我们的速度(远离为正, 接近为负); 光源相对于我们的速度 c:光速 1924年Hubble观测发现河外星系以后 观测发现河外星系以后, 在1924年Hubble观测发现河外星系以后,他开始研究河外星系的光 谱。他惊奇地发现:除了最近的少数几个河外星系外，几乎所有较 他惊奇地发现:除了最近的少数几个河外星系外， 遥远的河外星系的光谱线全部都呈现向红端位移的现象 而且， 河外星系的光谱线全部都呈现向红端位移的现象， 遥远的河外星系的光谱线全部都呈现向红端位移的现象，而且，距 离愈遥远的星系，谱线红移量(z)愈大 几乎与它们的距离成正比。 愈大， 离愈遥远的星系，谱线红移量 愈大，几乎与它们的距离成正比。
பைடு நூலகம்
Hubble的发现 Hubble的发现 --- 宇宙膨胀
光谱线的Doppler位移: 光谱线的Doppler位移: Doppler位移 光源接近我们时，光谱线向兰端位移(兰移)(光波波长变短) )(光波波长变短 光源接近我们时，光谱线向兰端位移(兰移)(光波波长变短) 光源远离我们时，光谱线向红端位移(兰移)(光波波长变长) )(光波波长变长 光源远离我们时，光谱线向红端位移(兰移)(光波波长变长)
George Gamov
它最初主要观念是:宇宙(包括地球、行星、太阳、恒星和星际物质) 它最初主要观念是:宇宙(包括地球、行星、太阳、恒星和星际物质) 的所有较重的化学元素起源于宇宙热大爆炸时代核合成的过程。 的所有较重的化学元素起源于宇宙热大爆炸时代核合成的过程。 主要目标是错误的。但宇宙热大爆炸模型是辉煌不朽的。 --- 主要目标是错误的。但宇宙热大爆炸模型是辉煌不朽的。
L
L ~ 3×1018 厘米 ~ 4.3 光年 ~ 2.7 × 105 天文单位(AU)
银河系
8.6 kpc ~ 2.8 x 104 ly 我们在此
星系集团 (Hercules)
10 25 厘米
几千个星系
最遥远的星系
L
L ~ 1026 厘米
TL ~ 3×1015 s ×
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
ρM ΩM = ρc
• 物质与辐射密度的演化 宇宙膨胀导致物质与辐射密度随时间减小。 同时辐射还由于宇宙膨胀发生红移。 因此辐射密度比物质密度随时间减小得更快。 →在宇宙早期是辐射主导的。 辐射主导与物质主导时期的分界约在宇宙年龄为几千年左右。
现在时刻宇宙的临界密度为（取k、 为零时） 3H 02 ρ cr = ≈ 1.88 × 10 − 29 h 2 g cm −3 8πG 为讨论方便通常引入密度参量 8πGρ ρ ΩM = ρ cr = 3H 02 kc 2 Ωk = − 2 2 H 0 = 100 h km s -1Mpc -1 ≈ 1.0 × 10−10 h yr-1 H 0 a0
天文光谱学观测的早期发现(1941) 天文光谱学观测的早期发现(1941)
蛇夫座ζ星λ3875 Å 吸收线 (星际 CN分子吸收线) 的观测研究发现: 分子振动 它实际上为几条光谱线。 能级跃迁 谱线R(0)为从基态向高 能级的跃迁 P(1)、R(1) 两条谱线 λ0.066cm 对应于从分子的第一 激发态向高能级的跃迁
Hubble 定律告诉我们，我们所处的宇宙正在膨胀
说明宇宙早期是高温、高密的状态 • • • 1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源 于约150亿年前一次猛烈的巨大爆炸。 宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空 间膨胀（宇宙是无中心的）。 随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原 初元素相继形成 。 ”理论能解释氘和氦的形成
宇宙微波背景辐射
—宇宙大爆炸理论的观测检验 宇宙大爆炸理论的观测检验
发现
• Gamov, Alpher和Herman 预言5-50K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和Wilson在7.35厘米波长发现宇宙背景中 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)
如何看待宇宙学红移与Doppler红移？宇宙学红移是不是Doppler红 红移？宇宙学红移是不是 如何看待宇宙学红移与 红移 红 移?
λ0 / λ1 = a0 / a1
引力红移
宇宙学红移
引力红移
Einstein的静态宇宙模型 的静态宇宙模型
1915年Einstein建立广义相对论 1915年Einstein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宙的结构 将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构。 1917年，Einstein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，Einstein发现方程的解是 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，表明宇宙要么在膨胀或者要么在收缩。 不稳定的，表明宇宙要么在膨胀或者要么在收缩。 为求出引力场方程的均匀的和各向同性的静态解， Einstein加入 为求出引力场方程的均匀的和各向同性的静态解， Einstein加入 一个起斥力作用“宇宙常数” 得到一个静态宇宙模型。 一个起斥力作用“宇宙常数”Λ项,得到一个静态宇宙模型。 1922年 俄国数学家A. Friedman求得不含 宇宙常数” 求得不含“ 1922年，俄国数学家A. Friedman求得不含“宇宙常数”项的引力 场方程的均匀的和各向同性的通解。 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宇宙中的物质 在这个模型中宇宙是膨胀的，膨胀宇宙的演化取决于宇宙中的物质 的大小。 自引力或密度ρ的大小。 “我这一生最大的错误就是错误地引进了宇宙常数项”(Einstein) 我这一生最大的错误就是错误地引进了宇宙常数项” 我这一生最大的错误就是错误地引进了宇宙常数项 — 21世纪初天文学家发现宇宙加速膨胀, 21世纪初天文学家发现宇宙加速膨胀 世纪初天文学家发现宇宙加速膨胀, Einstein 的宇宙常数项 成了现代宇宙学研究的中心环节 (2002年以来 年以来) 宇宙暗能量的研究 (2002年以来)
Hubble’s 1929 data
Distance (Mpc)
假设宇宙匀速膨胀（速度不随时间发生变化），由此 可以得到星系退行的时间， t = d /V =1/ H0 ≈150 亿年 （ H0 ≈ 65 km/s/Mpc ）
宇宙热大爆炸理论 及其 残存的宇宙热( 残存的宇宙热(微 波)背景辐射
Gamow 的宇宙热大爆炸模型
宇宙大爆炸
彭秋和 南京大学天文系) (南京大学天文系)
太阳系
水星 金星 地球 火星
类地行星
木星 土星 天王星 海王星
类木行星
天文单位) 日地距离 (1 AU---天文单位 天文单位
L
地球
L ~ 1.5×1013 厘米 = 1.5 亿公里 T ~ 3.1×107 秒 (1年)
离我们最近的恒星
Centauri Proxima (半人马座)比邻星