大爆炸宇宙学及其两大发展-川大

大爆炸宇宙学及其两大发展陆埮（中国科学院紫金山天文台）国际天文年Galileo用望远镜观测天文400周年纪念•Hubble诞生120周年纪念•Hubble发现宇宙膨胀80周年纪念•Einstein诞生130周年纪念•Feynman名言“物理学家具有这样的习惯，对于任一类现象，研究它们的最简单例子，把这称为‘物理’，而把更复杂的情况，看作其它领域的事。”R.P.Feynman宇宙膨胀的发现哈勃关系（D－Z）Hubble的发现宇宙膨胀•Hubble的发现•Doppler解释•DcHZee)/(/)(0km/(s.Mpc)10000hH07.071.00hcvZee哈勃发现宇宙膨胀(1929)哈勃定律的发现：•哈勃定律意味着宇宙正在膨胀。•哈勃解释宇宙膨胀：MpcskmhHMpcskmHrHvrcHz/)/(100/)/(571)/-(z)/(000ememobs0Doppler近似rHv0cvZee)}sin()1/({)(22222222ddrkrdrtRdlDoppler解释实际上是不恰当的。速度－红移的解释Davis&Lineweaver,20011)1(1)1()(:)()(),(:2200zzczvSRzHzdtRRcztvGRpeczrec&速度是由共动观测者观测退行星系红移而测得的。GR的描述中明显的标出了t，因为我们观测红移为z的天体时，必须要指明其退行速度的时间。哈勃关系：)()(])()()[()1()()()()1()()(002/122/12tltHtRtltRkrdrtRtltvkrdrtRtlrrrree&&&)()()(tltHtv这是严格的关系)()()(tltHtv哈勃关系（V－D）(Turner&Tyson1999)宇宙膨胀曲线k=+1•封闭，有限•k=0平直，无限•k=–1开放，无限哈勃年龄（1/H0）真实年龄小于哈勃年龄必有诞生时刻哈勃定律的物理意义哈勃定律意味着宇宙正在膨胀。•宇宙在空间上可以有限，也可以无限：•k＝＋1（封闭，有限）；k＝0（平直，无限）；k＝－1（开放，无限）。万有引力使宇宙膨胀减速。•宇宙在时间上有限，有个起点（对应于高温高密态），•宇宙有确定的年龄。宇宙膨胀是指标度增大，不涉及物体运动速度，•没有光速限制问(可以超光速)。GHc832什么是大爆炸？大爆炸－被广泛误解的一个老概念•爆炸有中心、有边界；宇宙无中心、无边界•大爆炸不在爆炸，而在膨胀•不是在空间中膨胀，而是空间自身在膨胀•伽莫夫提出大爆炸宇宙学(1946)Gamow:根据膨胀倒退回去，必有个起始点(注意万有引•力)。膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝热膨胀降•温、降密，经历各个有确切物理意义的演化阶段。可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、各种物•理过程的发生以及引起的各种观测特征。今天大尺度均匀，推到早期是真正的由粒子组成•的均匀气体。宇宙早期应该更简单、更可靠、更精确，而不是•通常认为的只是猜想。两个判据描述物态的变化•两个判据：•1）成分判据：2）热平衡判据：成分判据可确定什么时候宇宙中主要是什•么成分；热平衡判据可确定什么情况下可用热力学和统计物理来描写。粒子大量存在icmTkiB2粒子能保持热平衡iHvni温度（K）能量（eV）时间（秒）时代物理过程1032102810-44Planck时代1028102410-36大统一时代10-35,-33暴胀阶段暴胀过程101310910-6强子时代101110710-2轻子时代10101061中微子脱耦中微子脱耦510951055电子对湮灭电子对湮灭1091053分核合成时代轻核素生成31030.338万年复合时代微波背景辐射4亿年第一代恒星生成再电离星系大尺度结构形成2.7310-4137亿年现代大爆炸宇宙学的观测检验大爆炸核合成•宇宙微波背景辐射•中微子脱耦温度•核合成温度TS109K•4He丰度：(p/n)S基本上是(p/n)D1/0.224，但要作中子β衰变等修正。1)/(122snpsnpnYdpnTTdpnTTss::按Boltzmann分布TD1010K质子、中子是两个能级。为什么温度这么低？光子数与重子数相差10个量级DpnDpDnkTcmmkTcmkTcmeeepn/)(//222原初核合成原初核素成分的演化核素丰度的确定Burles,S.etal,astro-ph/99033002.610-10<nB/s<6.210-10相当于B=(1.8~4.3)10-31(g/cm3)核素丰度可以确定重子物质密度（可见物质密度）可见物质含量明确时间与效率宇宙早期许多事情均发生在极短时间内。•宇宙头3分钟及时保存了中子。•重要的是效率，而不是时间。•从物理上看，效率决定于碰撞次数。宇宙早•期，高温高密，碰撞十分频繁，正是高效时期，完全可以理解。例：煤燃烧－高温高效。•复合时代复合温度Tr3000K(宇宙年龄38万年)•等离子体状态转化为中性原子气体对于光子而言：宇宙变成透明按，复合时代的辐射成为今天的2.7•K微波背景辐射。HepTTHepTTrr::0/1TTZ微波背景辐射(CMB)是什么？电视机屏幕上没有节目时呈现的雪花噪声中•就包含有CMB,无处不在！CMB是宇宙38万岁时从3000度的高温等离子•体状态转化为中性气体而遗留下来的残留余辉，现在的温度只有约2.725度。CMB高度各向同性；各向异性只在10－5量级•它是宇宙中最完美的黑体辐射。•微波背景辐射高度各向同性1964－1965A.A.Penzias，R.W.Wilson：3.5±1.0(7-cm处)FromScottKayLecture宇宙学原理极好证据COBE－FIRAS－成果（J.Matheretal.1990,ApJL,354,37）9分钟内即测得宇宙微波背景辐射的完整的•黑体谱：1964－65这张图涉及两个诺贝尔奖COBE－DMR－成果(G.Smootetal.1992,ApJL,396,1)在不同的方向上，果然发现有10-5大小的温度起•伏，不同的颜色代表不同的温度。这是所能看到的宇宙的最早图象。好比看到了“•上帝”的脸。分辨率低。•今天幼年微波背景辐射的各向异性：COBE（上）；WMAP（下）全天图。WMAP的分辨率和灵敏度远高于COBE。Freedman&Turner,2003,astro-ph/0308418COBE&WMAP29暗物质暗物质存在的首个证据早在1937年，F.Zwicky指出，大星系团中•的星系速度太大，以致无法将它们通过引力束缚住，除非它们的质量超过按星系团星系总质量估算值的100倍以上。这是显示大量暗物质存在的首次发现。力学方法与光度方法用力学方法测出的质量往往比用光度方法测•出的质量大得多，有量级之差。测量范围越大，差别越大•存在暗物质（可大1个量级）:•有引力，却不发光VR-1/2(Kepler)Vconst7spiralgalaxies.Theflatnessindicatesthepresenceofhugedarkhalos.(V.J.Martinez,astro-ph/0203377).巨大的暗晕：存在暗物质VRubin暗物质的性质暗物质不发光，却有引力。•宇宙中暗物质比可见物质多得多。•暗物质粒子的主要性质：•1）长寿命；2）主要是冷的（质量大）；3）作用弱。主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。•“过尽千帆皆不是（温庭筠）”！可能候选者：Neutralino、Axion、K－K等。•常进，紫台Nature若干评论英国杜伦大学教授、计算宇宙学学院院•长CarlosFrenk说：“解决暗物质之谜将是这个时代最伟大的科学成就之一。对暗物质的寻找是数十年来宇宙学的中心任务，这个任务可能很快就会结束了。”德国马普天文物理研究所所长SimonWhite•说：“这些模拟计算的结果最终使得我们有可能‘看’到太阳附近暗物质的分布。”暴胀机制大爆炸宇宙学的三大困难总体上，大爆炸宇宙学十分成功。•存在三大难题：•1）视界问题（因果性问题）；2）平直性问题（几何）；3）磁单极问题。一个重要预言。•视界问题（因果性问题）与t的关系：•Lhor(t)≈ct－因果关系够得着的范围R(t)t1/2－宇宙尺度因子（辐射为主情形）R(t)t2/3－宇宙尺度因子（物质为主情形）Lhor随t的增长比R快•tt0：nowtR：4×105yrtG：10－36sLhor(t)1028cm4×1023cm3×10－26cmR(t)1028cm1025cm3cm观测到的均匀在tG时包含(1026)3=1078个因果区暴胀示意平直性问题)()()10(01)(3455物质为主、辐射为主RRtG早期宇宙0)(~8/3/111222RRGkc宇宙早期物质密度永远十分接近于临界密度！宇宙空间是平直的。为什么？除非有特殊机制保证如此！23822RkcRG&GHcc832/暴胀)()(,)(/constant)(2/14382/1383822382暴胀＝设早期出现过真空态，早期宇宙，cGHtGGGTHeRHRRkHRR&&)}(8/3/11{2122非暴胀阶段，RRGkc)(8/3/11222暴胀阶段RRGkc磁单极应当存在不少，但未曾观测到过。•暴胀机制可以有效将其稀释。•“Ifyoucan’tfindthem,dilutethem.”•暴胀的预言原来情况：今天的宇宙密度意味着早期密度•有极高度的微调！暴胀的存在使之变得很自然。•预言：在早期相当宽的情况下均要求今天的•宇宙密度应非常接近临界密度，即：，已为WMAP等观测证实。)(1c评价Inflationhasn’twontherace,butsofarit’s•theonlyhorse.AndreiLindeGuthandA.LindewontheGruberPrizeof•2004.Nopointismorecentralthanthis,thatempty•spaceisnotempty.Itistheseatofthemostviolentphysics.J.A.Wheeler宇宙加速膨胀的发现recentachievements宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出）标准烛光与Ia型超新星•宇宙加速膨胀的发现•暗能量的提出：负压强•RGRcP)(2334&&3/1,2wcwP宇宙物质成分观测结果：可见＝0.04c（来自原初核合成）•可见≪暗≪c暴胀预言：•可见是重子物质，暗是暗物质。还应有什么第3种•成分？暗能量！322983g/cm1088.12hGHcctotalL.M.Krauss,ScientificAmerican,1999减速加速50下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。51,(,)lmlmlmTaYT2llmCa,(,)lmlmlmTaYTCMB功率谱（WMAP）G.Hinshawetal,ApJS,148(2003),135红线代表最佳宇宙模型D.N.Spergeletal,ApJS,148(2003),175,(,)lmlmlmTaYT功率谱基波谐波极化1998-2003:和谐宇宙模型超新星微波背景辐射大尺度结构和谐一致可以看出，仅有可见物质和暗物质，不可能得到合理的结果。宇宙成分分配Ostriker&Steinhardt,2003,Science,300,1909暗能量：73%；暗物质：23%；发光物质：0.4%（恒星和发光气体0.4%；辐射0.005%）；不可见的普通物质：3.7%（星系际气体3.6%；中微子0.1%；超重黑洞0.04%）A.Melchiorri,etal,PRD,2003,68,043509超新星微波背景辐射各向异性哈勃常数大尺度结构大爆炸核合成1/2cPw与爱因斯坦的宇宙常数接近BeforeWMAPWMAPHighprecision精确宇宙学的诞生现代宇宙学在天文学中起着基础性的作用57结语表天体物理领域获诺贝尔物理奖的8个年度、11个天体物理项目、15位天体物理学家1967H．Bethe核反应理论研究，恒星能源的发现1970H．Alfvén磁流体力学中的基本工作和发现1974M.Ryle综合孔径技术，A.Hewish脉冲星的发现1978A.A.PenziasR.W.Wilson宇宙微波背景辐射的发现1983S．Chandrasekhar恒星结构与演化的理论研究；W.A.Fowler宇宙中化学元素起源的理论和实验研究1993R．A．HulseJ．H．Taylor发现一种新类型脉冲星，开辟了引力研究新的途径2002R．DavisJr.M．Koshiba宇宙中微子的观测R．Giacconi宇宙X射线源的发现2006J．C．MatherG．F．Smoot宇宙微波背景辐射黑体谱和各向异性的发现34451094592006年度邵逸夫天文奖$1,000,000SaulPerlmutter，AdamRiess，BrianSchmidt奖给宇宙加速膨胀的发现2007年其Team又得Gruber奖US$500,000年份获奖人奖项名称颁奖机构受奖原因2004Guth,LindeGruber奖Gruber奖委提出并改进宇宙暴胀理论——US$250,000美元2004PJEPeebles邵逸夫奖邵逸夫奖委员会宇宙学与大尺度结构2006PerlmutterRiessSchmidt邵逸夫奖邵逸夫奖委员会宇宙加速膨胀的发现US$1,000,000美元2006Mather等COBE卫星组Gruber奖Gruber奖委IAU大会宇宙微波背景辐射US$250,000美元2006MatherSmootNobel物理奖Nobel奖委员会宇宙微波背景辐射的黑体谱和非各向同性US$1,000,000美元2007Perlmutter，SchmidtandtheirteamsGruber奖Gruber奖委宇宙加速膨胀的发现US$500,000美元要点大爆炸宇宙学相当完善•三大验证：•1）膨胀；2）核合成；3）CMB两大后大爆炸（PBB）修正：•1）暴胀（微创的大手术）；2）加速膨胀思想：1）新物态（标量场等）？•2）修改引力？3）修改几何结构？语录◆Usingtheforcesweknownow,youcan’tmadetheuniverseweknownow.GeorgeSmoot◆现今宇宙学正处于一个重大的革命时期，正如哥白尼（N.Copernicus）的发现所带来的状况一样.PaulSteinhardt◆虽然我们还不知道暗能量是什么，但可以肯定地说，弄清楚暗能量将会对统一宇宙间的力和粒子提供至关重要的线索，而弄清楚它的途径要的是望远镜而不是加速器.M.Turner语录◆所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的……假如一个年轻人，他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话，他应该去学习天文物理学。杨振宁语录◆现在对科学的最大的挑战，已不仅是那些已知的物质。因为在我们知道的物质之外，还有暗物质、暗能量。所以我们要立足新的基础科学前沿，一定要将小的与大的联系起来，这个方法可称为“整体统一”。我认为，“整体统一”的科学方法，应该是21世纪最重要的科学方法。　　　　　　　　　　　　　　李政道