宇宙大爆炸与宇宙暗能量 44页PPT文档
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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 ~ 31017 s ~ 1010 yr
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
宇宙膨胀 的 发现
为了束缚热气体，星系团内必定包含大量暗物质
• 暗物质的组成(What is the nature of Dark Matter?)
观测表明：
visible matter ~ 0.01
baryons ~ 0.04 BBN + CMB
dark matter ~ 0.3
重子暗物质
非重子暗物质
俘
(a) 低光度恒星和恒星演化的残存天体
cr3 8H G 0 21.8 81 029 h2gcm 3
为讨论方便通常引入密度参量
M cr83H G02
k i
kc2 H02a02
i
cr
H 0 1h 0 ks - 0 m M 1 - 1 1 .p 0 1 c 10 h 0 y -1 r
(当 t 增加长)
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
• 辐射主要来自微波背景辐射
关系为
M ≈ (0.3-0.4) c = (0.3-0.4) ×10 -29 g cm-3 (t)(t0)1z3 ( 1 )
> R ≈T TR4 / c2 = 4.8×10 -34 g cm-3
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 H0d
Velocity (km/sec)
• 星系退行速度和星系距 离成正比
Hubble’s 1929 data
• 所有的天体在远离我们 而去， 宇宙在膨胀。
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 。
→目前的宇宙是物质主导的
M M c
• 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）
Massive neutrino
获 或
引 (b) 固体小天体
力 透
(c) 中性和离子化气体
镜 (d) 大质量黑洞
WIMPs
观
测
Axions
湮
灭
Neutralinos
谱
新物理
修正了的引力模型
线
按照退偶时粒子的能量与其静止质量相比较，天文学 家把假想的暗物质候选体分为三大类：
热暗物质 (HDM)：如中微子，粒子质量很小，速度接 近光速的粒子。
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。
宇宙微波背景辐射
—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。
0/1a0/a1
引力红移
宇宙学红移
引力红移
Einstein的静态宇宙模型
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。
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，表明宇宙要么在膨胀或者要么在收缩。
• 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)
1978 Nobel Prize winners
宇宙微波背景特点
• 1989年宇宙背景探测仪（COBE）对0.5毫米-10厘米波 段的宇宙背景辐射进行观测
• 宇宙的年龄是有限的， 它有一个起点。
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(微 波)背景辐射
Gamow 的宇宙热大爆炸模型
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 对应于从分子的第一
λ0.066cm
J=3 3873.369 Å
J=2 J=1
3873.998 Å
J=0
3875.763 Å 3874.603 Å
分子 转动 能级 跃迁
激发态向高能级的跃迁
- - ”理论能解释氘和氦的形成
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) 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。
宇宙膨胀物理规律
宇宙半径(或任两点间距离)随时间膨胀:
R ( t ) (当 t 增长)
•Lematire指出哈勃观测到的宇宙 膨胀现象正是Einstein引力场方程 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、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、宇宙有一个起始 之点，称为“原始原子”。
Abbe George LeMaitre
• 高度各向同性（为宇宙学原理提供了强有力的支持） • COBE观测结果，微波背景的辐射温度为
2.7280.004 K • WMAP观测结果为
2.7250.002 K
宇宙暗物质问题
暗物质?
星系团的质量 动力学质量: 动力学平衡:离心力= (牛顿)引力
GMm mV 2
R2
R
M总
V2R G
L
L ~ 31018 厘米 ~ 4.3 光年 ~ 2.7 105 天文单位(AU)
8.6 kpc ~ 2.8 x 104 ly
银河系 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 ~ 31015 s
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
宇宙大爆炸
彭秋和 (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
日地距离 (1 AU---天文单位)
L
地球
L ~ 1.51013 厘米 = 1.5 亿公里 T ~ 3.1107 秒 (1年)
离我们最近的恒星
Centauri Proxima (半人马座)比邻星
J=3
λ0.132cm J=2 R(2)
J=1
P(1) R(1)
λ0.264cm J=0 R(0)
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。
Hubble的发现 --- 宇宙膨胀
光谱线的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) 光源远离我们时，光谱线向红端位移(兰移)(光波波长变长)
z 0 V 0 c
V:光源相对于我们的速度(远离为正, 接近为负); c:光速
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 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。
光度质量:
ML
MSun LSun
L* LSun
天文观测发现: (1940s) 对星系团:
ML 5%M总
矛盾: 丢失的质量 Missing mass — 暗物质
宇宙的物质组成及含量
• 银河系以及其它旋涡星系的观 测发现存在平直旋转曲线（延 伸到发光区以外很远的地方）， 这表明星系内部存在有巨大的、 由暗物质组成的晕。 • 对星族 II 系统的动力学示踪以 及为解释麦哲伦流的形态及动 力学，均表明银河系90%以上的 质量由暗物质组成。
同模(均匀)膨胀规律:
R3 常数
TR常数
单位体积辐射能：
aT 4
单位体积物质静止能:
c2
t , R 0 , T
宇宙极早期, 物质处于高温、高密度状态 宇宙热大爆炸
单 单 位 位 体 体 积 积 物 辐 质 射 静 能 止 能 a T c2 4
1 R
zHd VHd c
H: Hubble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，而且距离愈 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。
如何看待宇宙学红移与Doppler红移？宇宙学红移是不是Doppler红 移?
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
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。
3) 宇宙早期理论当时被当作天方夜谈式的幻想!
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)
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”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”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宇宙中的物质
自引力或密度ρ的大小。
大、小麦哲伦云 有一个共同的中 性H包层，并向银 河系延伸形成麦 哲伦流。
• 在星系组成的系统中的暗物质
主要是通过分析本星系群内部成员星系的时变性；研究 双星系以及星系群内成员星系的动力学特征；以及星系 团内部热气体的X-射线辐射等。
星系Abell 2390（上）和 MS2137.3-2353 （下）的X 射线（右）与光学（左） 像。气体与恒星的质量仅 为束缚气体所需质量的 13%
“我这一生最大的错误就是错误地引进了宇宙常数项”(Einstein) — 21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 宇宙暗能量的研究 (2019年以来)
Lemaitre的原始原子理论
•1927年，比利时传教士和天文学 家G. Lematire重新得到Einstein 引力场方程的Friedman解。
温暗物质 (WDM)：
冷暗物质 (CDM)：如axion(?)，photino，粒子质量较大、 速度较慢。
暗物质很可能同时包括热暗物质和冷暗物质
此外，观测以及理论表明： Missing energy component ！
visible matter ~ 0.01 baryons ~ 0.04 dark matter ~ 0.3
h0.50.8
Friedmann’s equation显然可以改写为
Mk i 1
i
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。
T ~ 1
BBN + CMB
重子暗物质
非重子暗物质
Inflation 暗能量
利用SNIa 的观测 确定
遥远宇宙的距离
超新星分类
1. 核心坍缩型超新星 (SNII、SNIb,、SNIc)
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 ~ 31017 s ~ 1010 yr
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
宇宙膨胀 的 发现
为了束缚热气体，星系团内必定包含大量暗物质
• 暗物质的组成(What is the nature of Dark Matter?)
观测表明：
visible matter ~ 0.01
baryons ~ 0.04 BBN + CMB
dark matter ~ 0.3
重子暗物质
非重子暗物质
俘
(a) 低光度恒星和恒星演化的残存天体
cr3 8H G 0 21.8 81 029 h2gcm 3
为讨论方便通常引入密度参量
M cr83H G02
k i
kc2 H02a02
i
cr
H 0 1h 0 ks - 0 m M 1 - 1 1 .p 0 1 c 10 h 0 y -1 r
(当 t 增加长)
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
• 辐射主要来自微波背景辐射
关系为
M ≈ (0.3-0.4) c = (0.3-0.4) ×10 -29 g cm-3 (t)(t0)1z3 ( 1 )
> R ≈T TR4 / c2 = 4.8×10 -34 g cm-3
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 H0d
Velocity (km/sec)
• 星系退行速度和星系距 离成正比
Hubble’s 1929 data
• 所有的天体在远离我们 而去， 宇宙在膨胀。
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 。
→目前的宇宙是物质主导的
M M c
• 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）
Massive neutrino
获 或
引 (b) 固体小天体
力 透
(c) 中性和离子化气体
镜 (d) 大质量黑洞
WIMPs
观
测
Axions
湮
灭
Neutralinos
谱
新物理
修正了的引力模型
线
按照退偶时粒子的能量与其静止质量相比较，天文学 家把假想的暗物质候选体分为三大类：
热暗物质 (HDM)：如中微子，粒子质量很小，速度接 近光速的粒子。
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。
宇宙微波背景辐射
—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。
0/1a0/a1
引力红移
宇宙学红移
引力红移
Einstein的静态宇宙模型
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。
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，表明宇宙要么在膨胀或者要么在收缩。
• 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)
1978 Nobel Prize winners
宇宙微波背景特点
• 1989年宇宙背景探测仪（COBE）对0.5毫米-10厘米波 段的宇宙背景辐射进行观测
• 宇宙的年龄是有限的， 它有一个起点。
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(微 波)背景辐射
Gamow 的宇宙热大爆炸模型
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 对应于从分子的第一
λ0.066cm
J=3 3873.369 Å
J=2 J=1
3873.998 Å
J=0
3875.763 Å 3874.603 Å
分子 转动 能级 跃迁
激发态向高能级的跃迁
- - ”理论能解释氘和氦的形成
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) 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。
宇宙膨胀物理规律
宇宙半径(或任两点间距离)随时间膨胀:
R ( t ) (当 t 增长)
•Lematire指出哈勃观测到的宇宙 膨胀现象正是Einstein引力场方程 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、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、宇宙有一个起始 之点，称为“原始原子”。
Abbe George LeMaitre
• 高度各向同性（为宇宙学原理提供了强有力的支持） • COBE观测结果，微波背景的辐射温度为
2.7280.004 K • WMAP观测结果为
2.7250.002 K
宇宙暗物质问题
暗物质?
星系团的质量 动力学质量: 动力学平衡:离心力= (牛顿)引力
GMm mV 2
R2
R
M总
V2R G
L
L ~ 31018 厘米 ~ 4.3 光年 ~ 2.7 105 天文单位(AU)
8.6 kpc ~ 2.8 x 104 ly
银河系 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 ~ 31015 s
Source: Hubble Space Telescope web page (Courtesy NASA)
宇宙大爆炸
彭秋和 (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
日地距离 (1 AU---天文单位)
L
地球
L ~ 1.51013 厘米 = 1.5 亿公里 T ~ 3.1107 秒 (1年)
离我们最近的恒星
Centauri Proxima (半人马座)比邻星
J=3
λ0.132cm J=2 R(2)
J=1
P(1) R(1)
λ0.264cm J=0 R(0)
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。
Hubble的发现 --- 宇宙膨胀
光谱线的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) 光源远离我们时，光谱线向红端位移(兰移)(光波波长变长)
z 0 V 0 c
V:光源相对于我们的速度(远离为正, 接近为负); c:光速
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 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。
光度质量:
ML
MSun LSun
L* LSun
天文观测发现: (1940s) 对星系团:
ML 5%M总
矛盾: 丢失的质量 Missing mass — 暗物质
宇宙的物质组成及含量
• 银河系以及其它旋涡星系的观 测发现存在平直旋转曲线（延 伸到发光区以外很远的地方）， 这表明星系内部存在有巨大的、 由暗物质组成的晕。 • 对星族 II 系统的动力学示踪以 及为解释麦哲伦流的形态及动 力学，均表明银河系90%以上的 质量由暗物质组成。
同模(均匀)膨胀规律:
R3 常数
TR常数
单位体积辐射能：
aT 4
单位体积物质静止能:
c2
t , R 0 , T
宇宙极早期, 物质处于高温、高密度状态 宇宙热大爆炸
单 单 位 位 体 体 积 积 物 辐 质 射 静 能 止 能 a T c2 4
1 R
zHd VHd c
H: Hubble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，而且距离愈 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。
如何看待宇宙学红移与Doppler红移？宇宙学红移是不是Doppler红 移?
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
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。
3) 宇宙早期理论当时被当作天方夜谈式的幻想!
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)
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”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”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宇宙中的物质
自引力或密度ρ的大小。
大、小麦哲伦云 有一个共同的中 性H包层，并向银 河系延伸形成麦 哲伦流。
• 在星系组成的系统中的暗物质
主要是通过分析本星系群内部成员星系的时变性；研究 双星系以及星系群内成员星系的动力学特征；以及星系 团内部热气体的X-射线辐射等。
星系Abell 2390（上）和 MS2137.3-2353 （下）的X 射线（右）与光学（左） 像。气体与恒星的质量仅 为束缚气体所需质量的 13%
“我这一生最大的错误就是错误地引进了宇宙常数项”(Einstein) — 21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 宇宙暗能量的研究 (2019年以来)
Lemaitre的原始原子理论
•1927年，比利时传教士和天文学 家G. Lematire重新得到Einstein 引力场方程的Friedman解。
温暗物质 (WDM)：
冷暗物质 (CDM)：如axion(?)，photino，粒子质量较大、 速度较慢。
暗物质很可能同时包括热暗物质和冷暗物质
此外，观测以及理论表明： Missing energy component ！
visible matter ~ 0.01 baryons ~ 0.04 dark matter ~ 0.3
h0.50.8
Friedmann’s equation显然可以改写为
Mk i 1
i
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。
T ~ 1
BBN + CMB
重子暗物质
非重子暗物质
Inflation 暗能量
利用SNIa 的观测 确定
遥远宇宙的距离
超新星分类
1. 核心坍缩型超新星 (SNII、SNIb,、SNIc)