天体物理导论作业.pdf

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1、天体物理学的发展 -暗物质和暗能量的探索 天体物理学既是天文学的一个分支,也是物理学的一个分支,是应用物理学的技术、方法和理论,研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的学科,又可以说是天文学和物理学之间的一门交叉学科。天文学和物理学的关系至为密切。牛顿力学的基础之一技术天文学的观察。天文观测和理论分析离不开物理学的基本定律。光谱学许多发现都与天文学有关联。19 世纪末,氦元素技术守信从太阳光谱中发现的。天体一直是物理学最理想的实验室。例如,玻尔原子模型理论丛匹克林系找到了证据,爱因斯坦的广义相对论从日食得到了最初的验证,科学家在研究恒星能源时提出了热核聚变概念。20 世纪 60 年

2、代天文学的四大发现-类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射,促进了高能天体物理学等学科的发展。天体物理学设计方方面面,其中有太阳物理学、太阳系物理学,恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙学、射电天文学、空间天文学、高能天体物理学等分支。每一方面在 20 世纪都有许多引人入胜的经历。宇宙的起源和进化是天体物理学研究的最基本的问题之一。简历在广义相对论和宇宙学原理之上的大爆炸宇宙模型告诉我们:宇宙诞生于一次大爆炸,时间约在大约 137 亿年前;大爆炸发生的那一刻,宇宙处于极致密、极高温的状态,形成了空间和时间;经过膨胀和冷却,逐步演化成现在这个样子;演化过程可以分成原初轻元素合成、光子退耦、中

3、性原子形成、恒星形成等几个重要的时期,在这个不断膨胀的时空里,星系、地球、空气、水和生命逐渐形成。20 世纪 20 年代,基于从星系光谱的红移的大量观测,哈勃发现了宇宙中所有的星系都在彼此远离退行,距离越远,退行速度越大,二者成正比,从而提出哈勃定律。大爆炸宇宙模型还是在这一基础上产生的。20 世纪大量的天文观测和天堂物理研究结果都证实这个模型。到了20 世纪 末,科学界普遍接受了这一模型,但是仍有学的困难无法解决,其中有一个旷日持久的问题就是所谓的暗物质问题。多年来,暗物质的存在及其特性一直是天体物理学和宇宙学的一个难解之谜。所谓暗物质,指的就是无法直接观测的物质。既然无法直接观测,它的存在

4、就必是分局某种简介的资料作出的推测。早在 20 世纪 30年代,荷兰天体物理学家奥尔特就曾指出:为了说明恒星的运动,需要假定在太阳附近存在着看不见的物质。1、质量短缺 星系团的质量可以用两种方法测量。一种是光度方法,根据测得的质光比求出质量;另一种是动力学方法,从星系团各个成员星系的红移得出各个星系的相对速度,再根据维里定理算出星系团的质量。1933 年,兹维基比较两种方法对后发星系团的动力学方法得到的质量比光度方法得到的质量竟大四百倍。如果承认两种方法所得结果都是对的,就必然得出星系团中存在大量看不见的物质的结论。人们把这一现象称为“质量短缺”。但是当时“质量短缺”的问题并未引起科学界的重视

5、,认为只是兹维基的一种大胆推测,知道 20 世纪 70 年代初,科学界还普遍认为“质量短缺”是根本不存在的,差异是由其他因素造成的。2、进一步证实 1987 年在华盛顿卡内基研究生工作的鲁宾等人发表了他们对形象旋转曲线的研究。他们发现,像银河系,仙女星系和其他一些漩涡星系,星系内恒星与气体绕星系中心的轨道速度并不随它们与星系中心的距离而下降,取而代之的是,这些星系的旋转曲线趋于平坦。换句话说,在整个星系晕中的恒星速度保持恒定。这表明,这些星系的质量并不是集中在核球,而是均匀的分布在整个星系中。由此可见,在星系晕中一定存在着大量看不见的暗物质。这一事实对肯定暗物质的存在具有很强的说服力。1983

6、 年,天文学家发现:在距银河系中心 20 万光年距离的 R15 星,其视向速度高达 465 公里/秒。要产生这样大的速度,银河系的总质量至少要比现在知道的质量大 10 倍,这一事实表明银河系及其周围存在大量的暗物质。通过计算,可以间接地得出宇宙中有 90%甚至 99%的物质不能用望远镜直接观测的结论。1987 年,天体物理学家研究分析了红外天文学人造卫星对 2400 个星系的观 测数据,得到了用光学手段无法得到的银河系附近 5 亿光年范围内的三维物质分布图。该图显示,银河系被以室女、长蛇和人马为主的 10 多个星系团所吸引,它们的合力作用恰与银河现今运动情况相一致,而与微波背景辐射方向相反,因

7、而对所观测到的各向同性微波背景辐射的微小不均匀性成功地作出了解释。根据红外天文学人造卫星图所提供的数据,加上对银河系所受合引力的分析,也可以得出至少有90%或更多的宇宙暗物质存在的判断。数据如此巨大的暗物质究竟是什么?最初,很自然地把它们设想为一些暗星,如不发光的行星、小恒星、冷却了的白矮星、中子星、黑洞以及弥散气体或宇宙尘等。这一类物质都是由重子组成。然而,根据大爆炸宇宙学关于轻元素原子的合成理论,可以推断出重子数与光子数之比小于 710-10。也就是说,宇宙中如果存在暗物质,它们不可能是重子组成的物质,看来答案只能从粒子物理学中寻求。在众多候选的基本粒子之中,人们自然会想到行踪诡秘的中微子

8、。但是中微子究竟有没有质量,至今尚未有定论。3、暗物质的存在终于得到了确证 1989 年,美国国家航空航天局曾发射过一颗宇宙背景探测者卫星并观测到了宇宙微波背景辐射在不同方向上存在着微弱的温度涨落。为了进一步研究这种各向异性现象,1995 年美国国家航空航天局接受建议,2001 年发射了威尔金森微波各向异性探测器,并于 2003 年第一次清晰地绘制了一张宇宙婴儿时期的图像。宇宙的年龄大约是 130 亿年,38 万年寿命宇宙的图像相当于一个 80 岁的人在他出生当天拍下的照片。这一年,由威尔金森微波各向异性探测器以其对宇宙学参数的精确测量,取得了决定意义的成果。这些成果告诉人们,宇宙中普通物质只

9、占 4%,23%的物质为暗物质,73%是暗能量。这是迄今为止,暗物质存在最有说服力的证明。同年,由斯隆基金会资助、众多单位参加的国际性天文研究项目:斯隆数字太空勘测,根据大量天文观测所得到的数据也给出了类似的结果。探讨了多年的疑难问题终于有了明确的答案。2003 年年底,科学杂志把这一成果选为当年第一大科技成果。然而究竟什么是暗物质,还没有定论。中微子当然是一种暗物质粒子,但威尔金森微波各向异性探测器和斯隆数字太空勘测的结果表明,它即使有质量,也应当非常之小,在暗物质中只能占微小的比例,绝大部分应是所谓的中性弱作用 重粒子。而中性弱作用重粒子究竟是什么,目前还不清楚。理论物理学家猜测,它们可能

10、是超对称理论中的最轻的超对称粒子,是稳定的,在宇宙演化过程中像微波背景光子意义被遗留下来。目前,世界各国科学家,正在进行着各种加速器和非加速器的实验,试图找到这种暗物质粒子。4、暗能量 暗能量是近年宇宙学研究中提出的一个热门课题。支持暗能量的主要证据有四个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明,宇宙在加速膨胀,星系膨胀的速度不像哈勃定律描述的那样,是恒定的,而是在不断加速。按照爱因斯坦引力场方程,加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的暗能量。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。但是,我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3 左右,所以仍有约

11、 2/3 的短缺。这一短缺的物质称为暗能量,其基本特征是具有负压,在宇宙空间中几乎均以分布或完全不结团。最近威尔金森微波各向异性探测器数据显示,暗能量在宇宙中占总物质的73%。值得注意的是,对于通常的能量、重子和冷暗物质,压强都是非负的,所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。然而,当前物理学基本理论尚未能解释这些观测判定其存在的暗能量。解决这一问题需要新的理论,同时也有赖于发射更多的探测卫星,对空间进行更多更精确更系统的观察,以进一步研究宇宙的膨胀规律。不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律,由此可以确定暗能量的形式和物流特征。这是向物理学提出的巨大挑战。物理学整面临新的大突破,也就是说,在宏观低速运动、宏观高速运动、微观低速运动以及微观高速运动的规律的突破以后,物理学将进一步突破宇宙观的领域。这样的理论很可能是各种相互作用同意的量子理论,把引力作用也包括在内的大统一理论。这将是又一场重大的物理学革命。暗物质和暗能量的探讨正方兴未艾。解决这些新问题需要将描述微观世界的粒子物理学与描述宇宙观世界的宇宙学结合起来。极大和极小联系在一起,将是 21世纪物理学和天文学研究的一个新特点。