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宇宙学前沿讲座

宇宙学前沿讲座. 宇宙微波背景辐射 暗能量 暗物质 弦宇宙学. 宇宙微波背景辐射. 原初核合成结束后 , 宇宙气体处于电离状态 光子处于热平衡 热碰撞：主要是与自由电子的汤姆逊散射 宇宙年龄 ∽ 4*10 5 年，宇宙温度： 0.3eV 大部分电子和原子核结合为中性原子. 电子密度迅速降低 → 光子碰撞率急剧减少 , 最后完全失去碰撞机会：光子退耦 光子与宇宙其它粒子几乎没有相互作用：背景光子或背景辐射场 此时的光子状态将被保留下来 中性原子形成和光子退耦： 同一过程的两个方面. 宇宙微波背景辐射：大爆炸理论主要预言 今天应该能观测到

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Presentation Transcript

  1. 宇宙学前沿讲座 • 宇宙微波背景辐射 • 暗能量 • 暗物质 • 弦宇宙学

  2. 宇宙微波背景辐射 • 原初核合成结束后,宇宙气体处于电离状态 • 光子处于热平衡 • 热碰撞：主要是与自由电子的汤姆逊散射 • 宇宙年龄∽4*105年，宇宙温度：0.3eV 大部分电子和原子核结合为中性原子

  3. 电子密度迅速降低→光子碰撞率急剧减少,最后完全失去碰撞机会：光子退耦电子密度迅速降低→光子碰撞率急剧减少,最后完全失去碰撞机会：光子退耦 • 光子与宇宙其它粒子几乎没有相互作用：背景光子或背景辐射场 • 此时的光子状态将被保留下来 • 中性原子形成和光子退耦： 同一过程的两个方面

  4. 宇宙微波背景辐射：大爆炸理论主要预言 • 今天应该能观测到 • 微波背景观测：大爆炸理论的重要证据 • 最早的观测：1965年 • 微波背景的进一步研究和观测： 从中获取更多早期宇宙的信息

  5. 现测到天体的光是该天体在很久以前发出的 →该天体很久以前的样子 • 今天观测到的背景光子应来自遥远的地方 • 退耦前光子状态被最后一次光子电子散射抹掉： 看不到光子退耦以前宇宙的模样

  6. 大爆炸理论：宇宙早期高度均匀 • 最后的散射面是球形，球面上气体等温 • 今天观测到的光子来自于最后散射面 • 从不同方向作测量,应测到同样的辐射强度

  7. 背景光子在形成前很接近热平衡：任一方向上辐射强度与频率的关系满足黑体辐射关系背景光子在形成前很接近热平衡：任一方向上辐射强度与频率的关系满足黑体辐射关系 COBE的观测结果

  8. 理论：背景辐射形成时温度∽0.3eV(3000K) • 现测背景辐射温度：2.75K • 这些光子的红移：z=1100 • 由此可知背景光子从退耦到现在的时间，最后散射面离我们的距离（理论上我们可以观测到的最远距离）

  9. 光子从最后散射面到地球的过程中有可能与一般物质相互作用(如被星际物质散射)光子从最后散射面到地球的过程中有可能与一般物质相互作用(如被星际物质散射) • 星系发出的光和背景辐射一样会被观测到 • 它们对背景辐射的影响非常小 • 地球相对均匀的宇宙背景有相对运动,如地球的公转及银河系的转动及相对运动 • 观测者的运动引起多普勒效应：不同方向上测到的背景温度有差别 • 要得到真正来自最后散射面的背景辐射,要消除这些噪音和效应的影响

  10. 早期宇宙有微小的密度起伏 • 微波背景辐射也有微小的起伏 • 观测：不同方向背景辐射温度有微小的差别

  11. 温度分布

  12. 背景辐射的发现 • 伽莫夫提出大爆炸理论时学术界普遍不信任这个理论 • 没人想到用实际观测来证实或证伪背景辐射的存在 • Dicke，Peebles(1960年代初普林斯顿大学)打算让年轻人Roll和Wilkinson制作仪器来测量背景辐射的温度 • 他们无疑会成功地测到背景辐射

  13. 他们意外地得知贝尔实验室在射电波段测到了背景辐射的信号他们意外地得知贝尔实验室在射电波段测到了背景辐射的信号 • Penzias，Wilson：射电天文研究，调试20英尺角形反射天线的背景噪音 • 测到的背景噪音温度为6.7K： 2.3K来自大气层 0.9K来自天线内的欧姆损耗 剩下3.5K不知来源

  14. 天线中不明噪音是贝尔实验室老问题，实用上不需要弄清其来源天线中不明噪音是贝尔实验室老问题，实用上不需要弄清其来源 • Penzias和Wilson执着地要弄清它 • 把天线拆开，弄走了在里面做窝的鸽子 • 一番努力，排除了不明噪音来自天线内部或邻近环境的可能，没有发现起因 • 只能确定这是一个来自远处的辐射信号

  15. 幸运：贝尔实验室离普林斯顿大学很近 • 两组人接触讨论后分别写了一篇论文，发表在同一期天体物质杂志上 • Penzias和Wilson的论文仅有一千字左右：微波背景辐射发现是宇宙学发展中最重大的事件之一 • Penzias和Wilson： 1978年度诺贝尔物理学奖

  16. 就微波背景辐射问题本身而言， Penzias和Wilson的发现不足以令怀疑者信服 • 单一频率（4080兆赫）测量无法证实理论预言的背景辐射具有黑体辐射谱特征 • 此后十年：发现这种各向同性信号在许多波长上都存在，定出的相应温度大体一致 • 证实背景辐射具有黑体谱：必须在毫米和亚毫米波段进行测量 • 这样波段上地球大气的影响变得复杂麻烦

  17. 背景辐射谱的形状，80年代末前没有共识 • COBE (宇宙背景探测者卫星，1989年) 地球大气外测量→真正确定背景辐射具有黑体谱

  18. DMR (COBE上另一套仪器)：背景辐射在不同方向上的温度差异 • 不同方向上相隔10。两点温度差的平均 • 结果： • 理论：结构形成的下限是10-6 • 如果 ，到今天星系还来不及形成

  19. 2006年度诺贝尔物理学奖：约翰-马瑟和乔治-斯莫特(美国)：发现黑体形态和宇宙微波背景辐射扰动现象

  20. COBE对背景辐射扰动测量的精度很低 • 更多宇宙早期信息和宇宙现状的了解：必须提高测量的精度 • WMAP (2001年，威尔金森微波各向异性探测器，美国国家航空航天局)：背景辐射在不同方向温度的测量精度得到很大提高

  21. WMAP

  22. Planck(2007年)： 提供最高分辨率的CMB图像

  23. 微波背景辐射扰动谱测量：可以推断宇宙许多整体参量，如哈勃常数、物质比例等微波背景辐射扰动谱测量：可以推断宇宙许多整体参量，如哈勃常数、物质比例等 • 宇宙平坦性的精确测定也来自对微波背景辐射测量 • WMAP结果十分支持宇宙暗能量的存在，并对其所占的比例也有很强的推断 • 与其它宇宙观测结合，测得的宇宙模型中各参数的精度可以得到进一步提高

  24. 暗能量 • 1998年，超新星观测结果： 宇宙正在加速膨胀 • 爱因斯坦方程 • 宇宙加速膨胀→总物质压强p和密度ρ的关系：ρ+3p<0，p<-1/3ρ

  25. 压强：辐射物质p=ρ/3，一般物质p=0 • 宇宙加速膨胀：现在宇宙介质中存在具有负压物质，并且占很大比例 • 引力作用使宇宙膨胀减速，负压强提供斥力，使宇宙加速膨胀 • 具有负压引起宇宙加速膨胀物质：暗能量 • 最简单的暗能量：真空能量或宇宙常数

  26. 爱因斯坦，1917年：静态宇宙模型，在引力方程中引入宇宙常数爱因斯坦，1917年：静态宇宙模型，在引力方程中引入宇宙常数 一种压强p=－ρ的物质 • 负压强提供斥力：平衡引力得到静态宇宙 • 几年后，天文学家发现宇宙膨胀初步迹象 • 爱因斯坦敏感地接受了这些发现的启示，去掉了宇宙常数

  27. 量子场论：真空能量，每一个场都有一个基态，其能量不为零量子场论：真空能量，每一个场都有一个基态，其能量不为零 • 这种能量的性质和宇宙常数一样，爱因斯坦方程不能区分它们 • 理论得出的真空能量非常巨大，其密度比宇宙物质密度大一百多个量级 • 超新星实验：如果暗能量是宇宙常数(真空能量)，它占宇宙总密度的70%左右

  28. 现状：不知道暗能量到底是什么 • 超新星观测和微波背景辐射： 暗能量的大概性质 • 暗能量的候选者很多：如宇宙中均匀存在的一个标量场 • 暗能量也许并不是真实存在： 宇宙的加速膨胀只是四维宇宙膜在其它维数上运动的投影

  29. 量子场论中巨大真空能量和现实的差异：对理论提出了挑战：量子场论中巨大真空能量和现实的差异：对理论提出了挑战： • 问题：为什么暗能量密度这么小(10-47GeV4) (与粒子物理能标的差异) • 问题：为什么今天暗能量密度和一般物质密度在同一量级，是巧合还是由于什么深刻的物理

  30. 暗物质 • 核合成结果：宇宙中重子物质所占比例最多只有5% • 超新星实验和微波背景辐射测量的结果：除暗能量外一般物质应该还有30%的比例 • 宇宙中应该有很大一部分非重子物质组分

  31. 没有直接观察证据，所以称其为暗物质： 与光子没有相互作用或相互作用非常弱 不能通过电磁波被观测到，并不发光 • 最有力证据：星系外围的平坦速度曲线 • 星系中央一般存在大量恒星，亮度最大，外围分布少量的恒星，再向外分布着极少量的气体和尘埃，再向外一般认为其物质密度非常低，几乎看不到任何物质，可以看作没有物质存在

  32. 测量星系中分子围绕星系转动的速度以确定星系的质量及其密度分布：星系最外围分子的环绕速度几乎不随其半径而变化，形成平坦速度曲线测量星系中分子围绕星系转动的速度以确定星系的质量及其密度分布：星系最外围分子的环绕速度几乎不随其半径而变化，形成平坦速度曲线

  33. 曲线可延伸到距星系中心很遥远的地方 • 离心力和引力平衡关系：星系外围的密度分布 • 结果：这些区域分布着大量的物质，总量远大于星系中可观测区域的物质总量 • 几乎所有星系中都有类似平坦速度曲线，这种暗物质的总量远大于核合成得到的重子质量上限，宇宙总物质20%以上

  34. 现状：不清楚暗物质是什么 星系速度曲线→暗物质在星系的密度分布 • 暗物质和电磁场的相互作用非常弱，暗物质粒子之间的自相互作用也非常弱 • 暗物质候选者非常多，没一个被普遍认可 • 粒子物理标准模型中没有符合条件的暗物质候选

  35. 弦宇宙学 • 弦论：物质基本组成不是一个点，是一条会振动的弦，弦不同振动模式构成了不同的基本粒子 • 弦论中粒子间相互作用和点粒子间相互作用的模式非常不同，但也有相似之处

  36. 弦及其它基本物理假设：时空的维数只有在10维或11维时，超弦理论才能自洽弦及其它基本物理假设：时空的维数只有在10维或11维时，超弦理论才能自洽 • 我们生活的宇宙时空是四维的 • Kaluza－Klein理论，Calabi－Yau空间 • 弦理论的膜解：我们的宇宙在一个4维膜上，这个4维膜可以在其它的维数上运动，这种膜的整体运动可以导致生活在膜上的我们观测到一些特殊的现象，如可以是宇宙的加速膨胀，甚至是星系外围的平坦速度曲线

  37. 除了引力，其它相互作用都被限制在膜上

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