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宇宙物质起源

宇宙物质起源. 陆埮 中国科学院紫金山天文台. 从诺贝尔物理奖看 天体物理的蓬勃发展. 诺贝尔物理奖的海尔风波. 1913 年开始，海尔（ G E Hale ）被频频提名为诺贝尔物理奖的候选人，也频频落选。 大物理与小物理之争。 1923 年海尔再次被提名，评委阿伦尼乌斯说：“天体物理发展太快，以致几乎已覆盖了整个天文学，而诺贝尔奖并没有设天文学奖，因此天体物理不应获诺贝尔奖。”. 海尔风波 （续 I ）. 长期，天体物理几乎完全被取消获诺贝尔物理奖的资格。 1901-1966 ：天文学家和天体物理学家没有任何人获诺贝尔物理奖，包括 Hubble 等杰出人物。

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宇宙物质起源

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Presentation Transcript

  1. 宇宙物质起源 陆埮 中国科学院紫金山天文台

  2. 从诺贝尔物理奖看天体物理的蓬勃发展

  3. 诺贝尔物理奖的海尔风波 1913年开始，海尔（G E Hale）被频频提名为诺贝尔物理奖的候选人，也频频落选。 大物理与小物理之争。 1923年海尔再次被提名，评委阿伦尼乌斯说：“天体物理发展太快，以致几乎已覆盖了整个天文学，而诺贝尔奖并没有设天文学奖，因此天体物理不应获诺贝尔奖。”

  4. 海尔风波 （续I） 长期，天体物理几乎完全被取消获诺贝尔物理奖的资格。 1901-1966：天文学家和天体物理学家没有任何人获诺贝尔物理奖，包括Hubble等杰出人物。 H. Bethe从1940年起就被频频提名，又年年落选。直到1967年才实现零的突破，H. Bethe首次实现天体物理获诺贝尔物理奖。名义以“奖给他对核反应理论研究的贡献，特别是他对恒星能源的发现”为由，放了他一马，授予了他当年的诺贝尔物理学奖。

  5. 海尔风波 （续II） H Bethe零的突破，就像打开了一道闸门，天体物理领域从六十六年内无人获奖，一下涨到四十年内15人获奖。可见天体物理的发展速度达到了何等高的程度！ 事实上，这里还有许多因大物理小物理之争而丢失了的名额，如E Hubble、G Gamow等人。

  6. 表： 天体物理：诺贝尔物理奖：9年度、12项目、18人 3 4 4 5 10 9 4 5

  7. 宇宙物质起源

  8. 恒星内的元素起源 热核反应：弱作用（缓慢）的聚变反应 既是恒星能源，又是恒星元素起源

  9. p-p链（较低温） 释放能量 总效果：pppp → 4He+2e++2 瓶颈：弱作用

  10. CN-CNO循环（较高温） 释放能量 总效果：pppp → 4He+2e++2 瓶颈：弱作用

  11. B2FH（M.Burbidge、G.Burbidge、W.A. Fowler、F. Hoyle） • 恒星的元素合成。 • 氢燃烧，氦燃烧，碳、氧、硅燃烧；…… • e过程、s过程、r过程、p过程；…… • ………

  12. 太阳系元素丰度（按 原子数计，以Si=106 归一）。 Martin Harwit： Astrophysical Concepts 4th Edition，Springer

  13. 元素丰度分布特征 氢和氦丰度遥遥领先，几乎占99%。 太阳、陨石和地球物质中的元素分布非常相似(地球的氢、氦例外)。 这种相似性或一致性具有普遍性，对于其它恒星甚至临近星系也同样适用。因此，反常丰度往往可以用来提示恒星演化或化学分馏特征信息。

  14. 太阳与地球元素丰度的差别 太阳与地球的元素丰度有个重大差别：占太阳上99%的氢和氦，在地球上却很少。氦在地球上几乎没有，氢只能以化合物的形式存在（如水、氨基、羟基等）。原因很简单：地球上的引力不足以束缚住氢气和氦气，而氦为惰性气体，不存在化合物。 太阳质量占太阳系质量的99%以上。 太阳质量=1.99×1030kg 地球质量=5.9742×1024kg 差5个多量级

  15. 恒星形成的氦 质子是元素形成的原料和基石。 必经弱作用过程，因而是缓慢进行的。 恒星内进一步过程还会产生其他元素。 45亿年太阳过程合成了多少氦？太阳的辐射功率 , 45亿年太阳的总辐射能量为 相当于按质量计仅为4.3%的氦，远小于观测值: ～25%。观测到的氦肯定主要不是恒星过程产生的。氦究竟是怎样产生的？

  16. 氦主要是怎样形成的？ • 恒星过程太慢，主要是受弱作用控制。 • 宇宙早期高温高密状态存在中子，可以通过质子、中子强作用直接快速生成氦。 • 宇宙的两大基本性特征： 1）宇宙学原理； 2）宇宙膨胀。

  17. 宇宙学问题

  18. 宇宙学原理 • 宇宙在大尺度上是各向同性的、均匀的。 • 宇宙没有中心，也没有边界。 • 在任何一个典型星系上观测宇宙及其规律都是一样的。 • 宇宙在大尺度上可以看作一个以星系作为分子的均匀气体。 一句话：宇宙是一个物质在其中几乎均匀分布的体系。

  19. 宇宙膨胀的发现

  20. 哈 勃 发 现

  21. 宇宙膨胀导致的红移

  22. 哈勃年龄（1/H0） 必有诞 生时刻 今天 真实年龄小于哈勃年龄

  23. 大爆炸宇宙学的提出

  24. 大爆炸宇宙学的提出Gamow: 1948 宇宙诞生于高温高密状态。 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。 大爆炸学说给出了宇宙的极为丰富而且确定的物理内容，可供实在的观测检验。

  25. 原初核合成

  26. 原初氦合成 总效果：2n2p  4He

  27. 4He 原初核合成 p、n平衡 中微子脱耦 衰变 原初核合成 形成4He 温度下降

  28. 宇宙轻核素原初合成 强作用

  29. 原初核素成分的演化

  30. 核素丰度的确定Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2.6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

  31. 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。 中子是放射性的： 寿命1刻钟

  32. 怎样测量物质?

  33. 光度方法与力学方法 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

  34. 星系旋转曲线 观测结果 计 算 结 果

  35. 旋转示意

  36. 巨大的暗晕： 存在暗物质 7 spiral galaxies. The flatness indicates the presence of huge dark halos. (V.J. Martinez, astro-ph/0203377).

  37. 宇宙膨胀： 加速还是减速

  38. 彷徨与徘徊几十年 宇宙膨胀究竟减速还是加速？万有引力只允许减速。 减速因子观测分歧很大，矛盾百出！

  39. 当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。 Ia型超新星 找到了 标准烛光 光源

  40. 18个Ia型SN的平均峰值绝对星等：MB = -19.330.25 （Y.Wang, 2000, ApJ. 536. 531） 发现：远处的超 新星偏离预期越 暗，显示越远 重要发现： 加速膨胀！

  41. 暗能量的提出

  42. 牛顿与爱因斯坦比较 m M

  43. 暗能量的提出 暗能量的提出：负压强。 按广义相对论： 真空中的能量。新物态。

  44. 三种物质 三种物质：普通物质（重子物质）；暗物质；暗能量。 可以符合各种观测结果。 拟合结果是： 暗能量是真空物质，密度为常数。

  45. 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%）

  46. WMAP measures the composition of the universe. The top chart shows a pie chart of the relative constituents today. A similar chart (bottom) shows the composition at 380,000 years old (13.7 billion years ago) when the light WMAP observes emanated. The composition varies as the universe expands: the dark matter and atoms become less dense as the universe expands, like an ordinary gas, but the photon and neutrino particles also lose energy as the universe expands, so their energy density decreases faster than the matter. They formed a larger fraction of the universe 13.7 billion years ago. It appears that the dark energy density does not decrease at all, so it now dominates the universe even though it was a tiny contributor 13.7 billion years ago. Credit: NASA/WMAP Science Team WMAP 5年数据

  47. Before WMAP WMAP High precision 精确宇宙学的诞生

  48. 2006年度邵逸夫天文奖$1,000,000 Saul Perlmutter， Adam Riess， Brian Schmidt 奖给宇宙加速膨胀的发现

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