天体物理讲义10.ppt

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1、第十章 宇宙学 10.1 膨胀宇宙10.2 宇宙微波背景辐射10.3 宇宙的演化10.4 暴胀宇宙10.5 宇宙大尺度结构的形成10.1 膨胀宇宙1.牛顿宇宙宇宙是永恒的、稳定的问题：物质引力宇宙坍缩可能的解决途径：(1)宇宙在空间和质量上是无限大的(2)宇宙在膨胀(2)宇宙有起点和终点(2)、(3)点违反宇宙永恒与稳定的性质，于是牛顿认为宇宙应该是无限的2.奥伯斯（Olbers）佯谬如果宇宙是无限的，且恒星的分布是均匀的在任意视线方向都有一颗恒星夜晚的天空应该像白天一样明亮 3.宇宙学原理 (1)宇宙中的物质是均匀分布的迄今没有发现尺度超过200Mpc的结构 宇宙是无边界的约100万个星系在

2、30 度天空范围和20亿光年距离内的分布(2)宇宙是各向同性的宇宙没有中心4.Einstein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，表明宇宙在膨胀或者收缩。Einstein认为宇宙应该是永恒的、稳定的。为求引力场方程的均匀的和各向同性的解，Einstein加入一个起斥力作用“宇宙常数”项，得到一个静态宇宙模型（有限无边，没有中心）。5.Friedman膨胀宇宙模型 1922年，俄国数学家A.Friedman求得不含“宇宙

3、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的大小。宇宙总能量E=T+U=mV2/2 GMm/r=mH2r2/2 (4r3/3)Gm/r=mr2(H2/2 4G/3)当=c=3H2/(8G)810-30 gcm-3时，E=0宇宙的未来定义宇宙密度参数0=/c0 1,束缚宇宙0 1,膨胀收缩0 1,正曲率，封闭宇宙0 1,t 100 亿年由于0 0 R 410-34 gcm-3目前的宇宙是物质主导的 物质与辐射密度的演化l宇宙膨胀导致物质与辐射密度随时间减小。l同时辐射还由于宇宙膨胀发生红移。l因此辐射密度比物质密度随时间减

4、小得更快。l在宇宙早期是辐射主导的。l辐射主导与物质主导时期的分界约在宇宙年龄几千年左右。物质的创生l在极高温度下，高能光子的相互碰撞会产生正负粒子对起点温度：电子 6109 K 质子 1013 Kl正负粒子对湮灭会产生光子如果正负粒子对产生的速率与湮灭速率相等，称它们处于热平衡状态。正负粒子存在微小的不对称性，随着宇宙的膨胀与冷却，绝大部分粒子湮灭，极少量多余的正粒子构成了今天的物质世界。2.宇宙的演化历史 辐射相（0-103 yr）(1)Planck时代未知物理理论（量子引力论）宇宙大小约为0.01cm。引力、强相互作用力、弱相互作用力、电磁力统一为一种力。t 0-10-43 s -109

5、2 gcm-3 T -1032 K 辐射相（0-103 yr）(2)大统一理论时代当t=10-43 s,T=1032 K,引力与其他力分离。强相互作用力、弱相互作用力、电磁力统一(GUT)。t 10-43-10-34 s 1082-1072 gcm-3 T 1032-1027 K 辐射相（0-103 yr）(3)重子时代重子和轻子处于热平衡状态t=10-10 s,T=1015 K,弱相互作用力与电磁力分离。t=10-4 s,T 1013 K,重子形成过程结束。t 10-35-10-4 s 1072-1013 gcm-3 T 1027-1012 K 辐射相（0-103 yr）(4)轻子时代轻子处

6、于热平衡状态。当t=102 s,T 1010 yr 310-28 10-29 gcm-3 T 10 3 K10.4 暴胀宇宙1.视界与平直问题 视界问题微波背景辐射是高度各向同性的，整个宇宙应该具有相同的温度。但宇宙的不同区域处于各自的视界之外，如何进行信息交换？如大统一时代的视界为 310-26cm，远小于宇宙尺度3 cm。光子在目前宇宙视界上相对两点间的运行时间超过宇宙年龄 平直问题目前宇宙密度参数0的值接近于1，说明宇宙是平直的。在宇宙早期，0应该极其接近于1为什么宇宙是平直的？2.暴胀宇宙物质相互作用的四种力 强度 作用 范围(m)强相互作用力 1 束缚核子 10-15电磁力 1/13

7、7 束缚原子 弱相互作用力 10-5 引起放射性 10-17重力 610-39 束缚宏观物体 大统一理论(GUT)认为在极高的温度下，强相互作用力、弱相互作用力和电磁相互作用力是统一的。当t=10-35 s,T 降至1028 K以下，强相互作用力与其他力分离。在t=10-35-10-32 s阶段，宇宙经历暴胀，尺度增大1050倍。暴胀结束后，宇宙膨胀恢复到原来的速度。对视界和平直问题的解释即使宇宙早期位形是高度弯曲的，经过暴胀会变为平直。宇宙起源于一个极小的区域（比经典大爆炸模型小），在暴胀前宇宙的大小远小于视界大小，因而具有相同的温度，暴胀后的宇宙依然具有相同的温度。10.5 宇宙大尺度结构

8、的形成1.物质不均匀性的形成条件在脱耦前，辐射和正常（重子）物质是冻结在一起的。(1)强烈的辐射阻碍物质的引力收缩。(2)如果星系起源于宇宙早期正常物质的密度涨落，这种涨落也应该造成微波背景辐射的涨落。正常物质的密度扰动必须在复合时代才能开始增长。由微波背景辐射允许的密度不均匀根本不足以在已有的时间内形成星系和星系团。2.暗物质暗物质是宇宙的主要成分，暗物质的密度涨落应该在宇宙大尺度结构的形成中其主要作用。暗物质只有弱作用和引力作用。由于暗物质与辐射场之间没有耦合，因此暗物质的凝聚可以在辐射与正常物质脱耦前发生，暗物质的密度涨落也不会影响微波背景辐射的各向同性。暗物质的成分热暗物质(HDM)：

9、粒子质量很小，速度接近光速（如中微子）宇宙大尺度结构（自上而下）冷暗物质(CDM)：粒子质量较大、速度较慢宇宙小尺度结构（自下而上）暗物质很可能同时包括热暗物质和冷暗物质 暗物质与星系形成宇宙开始包含均匀分布的暗物质和正常物质。大爆炸后数千年暗物质开始成团。暗物质确定宇宙中物质的总体分布和大尺度结构。正常物质在引力作用下向高密度区域聚集，形成星系和星系团。100 Mpc1.5 Mpc暗物质晕宇宙结构的形成的数值模拟（20%HDM,80%CDM,0=1）暗蓝（平均密度）绿黄红白（100平均密度）暗物质的不均匀分布产生的引力变化导致微波背景辐射微小起伏。计算机模拟结果COBE观测结果红色：高温蓝色：低温温度差别为10-4 KA Cyclic Universe?