宇宙学研究的几个里程碑

1. 宇宙学研究的几个里程碑 陆 埮 中国科学院 紫金山天文台 南京大学物理系 粒子－核－宇宙学联合研究中心

2. 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

3. 宇宙学原理的观测依据 • 宇宙在大尺度上是均匀的，没有边界，也没有中心。“一切平等。” • 从每个典型星系上看到的宇宙是完全一样的。“没有任何一个地方有优先权。”

4. 宇宙学的框架 • 牛顿力学无法建立宇宙学的框架 • 广义相对论可以作为宇宙学的框架

5. 宇宙膨胀的发现 Hubble关系：

6. 宇宙学模型 • Einstein模型 • Friedmann模型

7. 宇宙动力学方程 • Einstein方程： • tt • ss • 消去 ，得宇宙动力学方程  • 临界密度（k＝0）： g/cm3 膨胀动力决定于 （ρ＋3P/c2）， 不只决定于ρ。

8. 两个重要的可观测量 哈勃常数－膨胀速度 减速因子

9. 演化的宇宙

10. 演化的宇宙 • 热大爆炸宇宙学－1948，G. Gamow • 两大成就： ▲原初核合成 ▲微波背景辐射－1965， A.A. Penzias， R.W. Wilson

11. 宇宙演化时间表 轻核素合成 背景辐射产生 结构形成

12. 原初核素成分的演化

13. 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）

14. 微波背景辐射的成功（1965） • 高度各向同 性 • T＝2.728 K • 光子数密度 ~400 cm-3 • 宇宙曾经非 常均匀 获诺贝尔奖之作 1965发现－1978获奖

15. 暗 物 质

16. 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。

17. 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

18. Vconst VR-1/2(Kepler)

19. 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).

20. 暗物质存在的其他证据 • 宇宙结构（恒星、星系）形成所需的物质远多于宇宙核合成定出的重子物质。 • 如果没有暗物质，就没有足够的时间形成今天宇宙的结构。有了暗物质，就可以在复合期前在暗物质中形成增长。 • CMB非各向同性的存在， 10－5。 · · · · · ·

21. 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（至少与宇宙年龄相仿）； 2）主要是冷的（质量大）； 3）作用很弱。 • 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等。

22. 核合成可确定B • ΩB<< 1 • 大量存在非重子物质 • 暗物质ΩDM仍远小于1 • 还缺什么？

23. 暴 胀 模 型

24. 视 界 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 观测到的均匀在tG时包含(1026)3=1078个因果区

25. 平直性问题 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！

26. 暴胀宇宙学 • (10-34, 10-32)秒存在暴胀 A H Guth－1981 （宇宙尺度猛增了e100=1043倍，因此实际对应的是一个因果区的极小一部分，能满足因果率要求） • 预言： 无论辐射为主或物质为主，均增大

27. 宇宙熵 今天的熵≥1086。如果守恒，如何起源？ 早期熵很大，就保证了 很小。

28. 标准与暴胀

29. 彷徨与徘徊（几十年） • 可测量：H（哈勃常数） q（减速因子） • 长期无法测准，几十年争论不休

30. 宇宙年龄问题

31. 哈勃年龄 ：1/H0 • 真实年龄小于哈勃年龄 不管 k＝1、0、－1， 总有

32. 宇宙年龄的上限 • 如果宇宙是等速膨胀，则宇宙年龄： t＝1/H0（称哈勃年龄） • 存在引力，宇宙减速膨胀， 宇宙真正年龄t<1/H0： 哈勃年龄为宇宙年龄上限。

33. 哈勃常数测定的变迁 1929年，哈勃本人首次给出H0＝500（kms-1 Mpc-1） 1936年，哈勃考虑到星际消光的影响，将哈勃常数改 为H0=526, 误差15%。（由此给出的宇宙哈勃年龄很短， 只有H0-1 = 1.84108 年。） 1956年，Humasion等人给出H0 = 180。 1961年，Sandage等人给出H0 = 98±15。 1970’s年， Sandage等人给出H0 = 50.3±4.3; de Vaculear等人给出H0 = 100 ± 10。 目前（2002）值：H0=(71±7)0.951.15km s-1 Mpc-1  1/H0=(1.380.14)1010年

34. q? No!?加速膨胀的发现 首先要选强的标准烛光光源 Ia型超新星

35. 比较－引力理论 • 牛顿： • 广义相对论： • 物态： w＝0（非相对论）；1/3（相对论） 对于一般物质，w不可能是负的。

36. 空间 物质

37. 爱因斯坦的宇宙常数 暗能量 • Einstein方程： • 存在相当于作如下变换： 提供了正密度(c2/8G)， 负压强(–c4/8G)。 正密度 负压强 Λ代表一种 “新物质”

38. 暗能量模型 • 宇宙常数、真空能量: w=-1 • (2) Quintessence: -1<w<0 • (3) Phantom: w<-1 • (4) Quintom • …………

39. 一箭双雕 加速膨胀根源 暗能量提供斥力，解释宇宙加速膨胀(在已知物理中，只有万有引力，没有相应的斥力); 同时也能解释宇宙年龄困难。

40. 减速 加速 L.M. Krauss, Scientific American,1999

41. 哈勃年龄（1/H0） 减速 加速 等速 • 真实年龄大于哈勃年龄（这一情形在宇宙常数不为0时可能出现）

42. 观测到过 去的减速， 今天的加 速。

43. 16个z>1的Ia型超新星 左边为发现时刻的 超新星，中间为发 现前的情形，后面 为两者相减的结果。 Riess, A.G. et al., astro-ph/0402512 To be published in ApJ, June, 2004

44. 下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。

45. 精确宇宙学的诞生

46. 一箭多雕多方面检验 宇宙膨胀 微波背景辐射 宇宙大尺度结构 核合成 哈勃常数 等多方面检验限定。

47. 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/0308418

48. 宇宙微波背景辐 射的各向异性： 综合所有WMAP 前的数据的CMB 的角功率谱。 Freedman & Turner: 2003, astro-ph/0308418

49. CMB功率谱（WMAP） G. Hinshaw et al, ApJS, 148(2003), 135 红线代表最佳宇宙模型 D.N. Spergel et al, ApJS, 148(2003), 175 功率谱

50. 检验暴胀模型 • WMAP结合H0和Ia超新星，或结合大尺度结构数据，可以限定|1-Ωtot|0.03。 • WMAP支持暴胀模型的近似标度不变涨落谱的预言。