清华大学天文学导论宇宙学

天文学导论第11讲宇宙学

Amansaidtotheuniverse:“Sir,Iexist!”“However,”repliedtheuniverse,“ThefacthasnotcreatedinmeAsenseofobligation.”StephenCrane(1871—1900)现在是1页\一共有96页\编辑于星期日本讲内容宇宙学原理宇宙在膨胀宇宙起源于一次大爆炸宇宙微波背景辐射宇宙的密度与形状（加速膨胀与暗能量）暴胀宇宙宇宙大尺度结构的形成（暗物质宇宙的演化史结束语现在是2页\一共有96页\编辑于星期日1。宇宙学原理CosmologicalPrincipal宇宙学原理：无论身处宇宙的何处，“观测者”所看到的宇宙都是相同的物理规律的普适性宇宙学原理的两个推论：宇宙中的物质分布是均匀的（空间尺度足够大）宇宙是各向同性的宇宙学原理表明宇宙既要均匀又要各向同性数十年的观测证明宇宙学原理是经得起检验的现在是3页\一共有96页\编辑于星期日1.1宇宙中物质是均匀分布的(Homogeneity)宇宙在大尺度上（大于几亿光年的超团尺度）均匀迄今没有发现尺度超过~6亿光年的结构（→宇宙是无边界的）~105galaxies现在是4页\一共有96页\编辑于星期日宇宙大尺度上的均匀性约100万个星系在约30度天空范围内和约20亿光年距离以内的分布在这个尺度上，每个方向的星系计数大致相同现在是5页\一共有96页\编辑于星期日宇宙小尺度上的非均匀性距离最近（约5亿光年距离以内）的15,000个星系的全天图。在这个尺度上，宇宙中星系的分布根本不均匀而是趋于成团的本超星系团隐带

英仙-双鱼超团现在是6页\一共有96页\编辑于星期日

1.2宇宙是各向同性的(Isotropy)从任何方向看，我们的宇宙大致都是相同的（→宇宙没有中心）身处宇宙任何地方的“观测者”向任何方向看都能得到相同的哈勃定律现在是7页\一共有96页\编辑于星期日均匀，各向同性不均匀，不各向同性均匀，不各向同性均匀，不各向同性现在是8页\一共有96页\编辑于星期日2。宇宙在膨胀TheExpandingUniverse1920s，维斯托·斯莱弗（VestoSlipher）：绝大部分星系的吸收线红移

星系都在远离我们而去星系的退行速度1929，埃德温·哈勃（EdwinHubble）：星系距离+星系退行速度星系退行速度与距离成正比：

Vr＝H0×D，即哈勃定律大爆炸宇宙学的重要观测证据之一现在是9页\一共有96页\编辑于星期日现在是10页\一共有96页\编辑于星期日哈勃图HubbleDiagram由于造父变星的周光关系的定标问题，哈勃低估了星系距离，由此得出的哈勃常数是现代值的7倍之多！H0=500km/s/MpcH0＝71±4km/s/Mpc哈勃的数据现代的数据现在是11页\一共有96页\编辑于星期日3。宇宙开始于一次大爆炸哈勃定律：所有星系在过去是叠加在一起的宇宙的一切（物质与辐射、能量）起源于一点，即宇宙开始于一次大爆炸（thebigbang）!现在是12页\一共有96页\编辑于星期日哈勃时间（Hubbletime）1/H0哈勃定律表明星系之间相互远离所持续的时间相同，称为哈勃时间（与具体的星系及其距离无关）等速膨胀1/H0即为宇宙年龄H0＝71

km/s/Mpc

宇宙年龄~

137亿年现在是13页\一共有96页\编辑于星期日宇宙学家很尴尬我们的宇宙有一个起点（时间）但这个起点在哪里？宇宙大爆炸发生在任何一个地方如果大爆炸点不同于宇宙其它地方违背宇宙无中心原理？大爆炸不是简单地把物质抛向空间！（中心和边界）©现在是14页\一共有96页\编辑于星期日宇宙即创生？星系并非自身在时空中相互远离，而是宇宙自身的膨胀使得构成宇宙的星系相互远离宇宙大爆炸是宇宙自身时空（空间、时间、物质与能量）的创生与膨胀！现在是15页\一共有96页\编辑于星期日尺度因子scalefactor（R）宇宙的膨胀以尺度因子R来量度，无量纲化宇宙大小R随宇宙膨胀而变大过于<1现在=1未来>1大爆炸的初期，宇宙很小T=1天，几倍太阳系T=1/50秒，地球大小......,原子，质子，......宇宙的膨胀不影响局域的物理规律：原子、恒星、星系或任何别的事情现在是16页\一共有96页\编辑于星期日红移是宇宙尺度因子改变的结果红移直接测量辐射发出时的宇宙尺度因子，即自从辐射发出以后宇宙尺度因子的改变Z=0,R=1Z=1,R=1/2Z=2,R=1/3......现在是17页\一共有96页\编辑于星期日勒梅特的原始原子论1927年，比利时教士与天文学家勒梅特（GeorgesLemaître）指出哈勃所观测到的宇宙膨胀现象正是爱因斯坦引力场方程（广义相对论描述宇宙）所预言的因此，过去的宇宙必定比今天的宇宙占有较小的空间尺度。并且，宇宙有一个起始之点，称为“原始原子”（哈勃定律[宇宙膨胀]、宇宙加速膨胀！）现在是18页\一共有96页\编辑于星期日αβγ大爆炸宇宙学1940s,伽莫夫（Gamov）和其学生阿尔夫（Alpher）首先提出宇宙起源于约150亿年前一次猛烈的巨大爆炸1948年4月1日，发表论文的作者顺序：Alpher、Bethe贝特和Gamovαβγ大爆炸宇宙学随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形成……

预言轻元素丰度预言宇宙大爆炸的5-10K残余背景辐射！！!现在是19页\一共有96页\编辑于星期日霍伊尔：稳恒态宇宙模型1948年，弗雷德·霍伊尔（1915-2001）与汤米·戈尔德、赫尔曼·邦迪1960年代，CMB等，更新1949年，BBC，“TheBigBang大爆炸”，嘲笑大爆炸模型。“奇点”！？元素合成理论：著名B2FH理论1983年诺贝尔物理学奖授予福勒许多研究成果不符合正统的学术观点现在是20页\一共有96页\编辑于星期日4.

宇宙微波背景辐射

TheCosmicMicrowaveBackground(CMB)1948年,Alpher,Bethe和Gamov预言5-10K的宇宙大爆炸的残余背景辐射1964年,Dicke,Peebles,Roll和Wilkinson计算得到背景辐射为温度10K的黑体辐射。准备去寻找.....没找到现在是21页\一共有96页\编辑于星期日CMB的发现1965年,贝尔实验室的彭齐亚斯Penzias和威尔逊Wilson在7.35厘米波长发现宇宙背景中存在温度为3K且各向同性的黑体辐射，即宇宙微波背景辐射20世纪60年代四大天文发现之一，大爆炸观测证据This"sugarscoop"antenna,originallybuilttocommunicatewithEarth-orbitingsatellites,wasusedindiscoveringthe3KCMB.RobertWilson(left)andArnoPenzias,whousedtheantennatomakethediscovery1979NobelPrizeinphysics现在是22页\一共有96页\编辑于星期日CMB的观测特征1989年，宇宙背景探测仪（CosmicBackgroundExplorer[COBE]）

卫星对0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景辐射进行观测，结果发现CMB是2.73K黑体辐射谱；CMB是高度各向同性的现在是23页\一共有96页\编辑于星期日宇宙微波背景辐射谱：完美的T=2.73K黑体谱2006年诺贝尔奖点1979年诺贝尔奖点现在是24页\一共有96页\编辑于星期日CMB可测量地球相对宇宙自身的运动由地球的运动引起的宇宙背景辐射温度的涨落，称为CMB的偶极不对称性地球相对于CMB以~368km/s的速度沿巨爵座（Crater）方向运动CMB辐射的温度变化（蓝色：2.724K，红色：2.732K.）地球运动的朝向与背向方向的温度分别变化10-3

现在是25页\一共有96页\编辑于星期日微波背景辐射的各项异性涨落(COBE)扣除微波背景辐射的偶极不对称和银河系尘埃辐射的影响后，微波背景辐射仍表现出大小为十万分之几的温度变化这种细微的温度变化表明宇宙演化早期（~38万年）存在微小的不均匀性，正是这种不均匀性导致了星系的形成

现在是26页\一共有96页\编辑于星期日TheNobelPrizeinPhysics2006JohnC.Mather1/2oftheprizeNASAGoddardSpaceFlightCenter

Greenbelt,MD,USAb.1946GeorgeF.Smoot1/2oftheprizeUniversityofCalifornia

Berkeley,CA,USAb.1945"fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation““发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形式和各项异性“现在是27页\一共有96页\编辑于星期日Boomerang(飞镖)的观测结果COBE不能测量角尺度小于7度的CMB的涨落1999年1月，南极，飞镖气球飞镖数据显示了大约1度尺度上CMB

更强的涨落：大约万分之一的温度差异现在是28页\一共有96页\编辑于星期日TheWilkinsonMicrowaveAnisotropy

Probe(WMAP)2001.6.30发射威尔金森背景辐射各项异性探测器

五个波段：3.2--13

mm测量CMB在0.2o-1o

尺度上的涨落（+-万分之二）得到了来自宇宙最古老辐射的详细天图现在是29页\一共有96页\编辑于星期日COBE和WMAP的比较现在是30页\一共有96页\编辑于星期日宇宙年龄：137亿年，误差~1%第一代恒星在大爆炸后2亿年形成CMB来自大爆炸后38万年宇宙内含：4%重子,23%暗物质,73%暗能量！H0=71km/sec/Mpc(误差~5%)宇宙暴胀的新证据

（偏振信号）宇宙将永远膨胀下去WMAP结果现在是31页\一共有96页\编辑于星期日Planck普朗克现在是32页\一共有96页\编辑于星期日Planck的宇宙学参数H0：

71

67.3km/sec/Mpc宇宙年龄：137

138.1

亿年现在是33页\一共有96页\编辑于星期日5。宇宙的密度与形状宇宙会永远膨胀下去吗？宇宙的命运如何，取决于其中所含“物质”的多少宇宙的引力（质量）同样使其膨胀减速如果有足够的质量，其引力大得使膨胀减速、停止，最后不可避免坍缩，直至灾难性的大挤压如果没有足够的质量，宇宙膨胀可能减速，但不会停下来现在是34页\一共有96页\编辑于星期日宇宙的临界密度criticalmassdensity一个天体表面的逃逸速度由其质量和半径（即平均密度）决定宇宙的膨胀速度同样由其质量和大小即平均密度ρ决定宇宙密度存在一个临界值ρc

≈

8×10-30gcm-3ρ

>ρc

，引力大得将停止并反演宇宙膨胀ρ

=ρc

，引力太弱，宇宙将永远膨胀下去ρ

<ρc，宇宙也将永远膨胀下去现在是35页\一共有96页\编辑于星期日宇宙物质密度参数物质密度参数ΩM决定由引力（物质）所控制的宇宙的命运，定义为≈0.04（0.049）

（可见物质）≈0.27（0.317=0.049+0.268）（可见物质+暗物质）现在是36页\一共有96页\编辑于星期日物质密度（ΩM~0.27

[0.317]）不足以闭合宇宙!现在是37页\一共有96页\编辑于星期日宇宙膨胀在加速！由于引力，宇宙膨胀应减速，那么宇宙早期的膨胀速度比目前要快得多1998年，HST以及地面大型望远镜（Keck）对高红移的标准烛光（Ia型超新星）的观测表明宇宙的膨胀在加速测得的亮度暗于由其星系红移所预言的亮度，即亮度所揭示的距离大于由星系红移所揭示的距离现在是38页\一共有96页\编辑于星期日超新星观测支持宇宙膨胀在加速加速膨胀减速膨胀哈勃等速膨胀现在是39页\一共有96页\编辑于星期日2011年诺贝尔物理学奖“通过观测遥远的超新星发现宇宙正在加速膨胀”索尔·珀尔马特SaulPerlmutter布赖恩·施密特BrianP.Schmidt亚当·里斯AdamG.Riess现在是40页\一共有96页\编辑于星期日爱因斯坦的“伟大错误”1917年，爱因斯坦将广义相对论引力场方程应用于宇宙的时空结构，即爱因斯坦场方程爱因斯坦场方程表明包含物质的宇宙不可能恒定，表明宇宙必定会膨胀或者收缩但在哈勃发现宇宙膨胀（1929）的10多年前，爱因斯坦认为宇宙应该是永恒的、稳定的为了由广义相对论得到一个稳恒态宇宙，爱因斯坦在其方程中人为地加入一个起长程斥力作用的“宇宙学常数”Λ，用来抵消引力选择合适的Λ就可以得到稳恒态宇宙模型现在是41页\一共有96页\编辑于星期日爱因斯坦到威尔逊山会见哈勃后说杜撰宇宙学常数是他科学生涯中所犯的“最大错误”现在是42页\一共有96页\编辑于星期日暗能量DarkEnergy造成宇宙膨胀加速，必定有某种超过引力的长程斥力（反引力），这正是宇宙学常数当初被引进的作用天文学家称由宇宙学常数引起的能量为暗能量，相应地定义宇宙暗能量密度参数ΩΛ暗能量均匀分布，不会聚集成团，其密度约为8×10-29gcm-3，只在巨大时空尺度上起作用暗能量与真空能相关，在宇宙早期不重要，因此在约一半宇宙年龄前宇宙膨胀是减速的随着宇宙膨胀，暗能量越来越强大，引力越来越弱，使得膨胀转为加速现在是43页\一共有96页\编辑于星期日爱因斯坦错上加错?爱因斯坦引入宇宙学常数是为了抵消宇宙由于引力而引起的膨胀或收缩静态不变宇宙当前的宇宙学常数不是用来平衡引力，而是用来解释实际上观测到的宇宙的加速膨胀宇宙学常数引起的加速>引力引起的减速两个宇宙学常数不可能等价！爱因斯坦错误地在场方程中引入宇宙学常数，并选择了不正确值。但是关于宇宙学常数的思想今天看起来还是对的，只不过“太超前了”！宇宙学常数被赋予了新的意义现在是44页\一共有96页\编辑于星期日Λ现在是45页\一共有96页\编辑于星期日现在是46页\一共有96页\编辑于星期日测量暗能量与物质密度综合高红移超新星与宇宙微波背景辐射的观测可以估计暗能量的大小Theareaofoverlap(green)indicatespossiblemodelsfortheuniversethatareconsistentwithbothkindsofmeasurements现在是47页\一共有96页\编辑于星期日宇宙的年龄H0=71km/s/Mpc哈勃时间1/H0=137亿年如果宇宙膨胀等速，宇宙年龄为1/H0如果宇宙膨胀减速，宇宙年龄小于1/H0如果宇宙膨胀加速，宇宙年龄大于1/H0现在是48页\一共有96页\编辑于星期日最年老恒星对宇宙年龄的限制球状星团是宇宙中最老的恒星系统。宇宙的年龄>球状星团中恒星的年龄主序星在H-R图上的转折点球状星团的年龄。现代最好的估计为126+/-22亿年银河系中最老白矮星的年龄为120-130亿年第一代恒星（星族III)应在约1/10宇宙年龄前形成球状星团M3现在是49页\一共有96页\编辑于星期日宇宙的形状Ω0>1,球面,正曲率，闭合宇宙,有限无界Ω0=1,零曲率,平直(开放)宇宙,无界

Ω0<1,双曲面,负曲率,开放宇宙,无界我们的宇宙几乎是平直的！Ω0=ΩM+ΩΛ≈1.02现在是50页\一共有96页\编辑于星期日观测支持宇宙是平直的宇宙的形状能够放大或缩小宇宙微波背景辐射的涨落观测到的宇宙微波背景辐射的涨落表明宇宙的位形是平直的,即Ω0≈1“真实”CMB现在是51页\一共有96页\编辑于星期日6。暴胀宇宙TheCosmicInflation大爆炸宇宙学模型不能解释的三个疑难问题（1）平直疑难问题flatnessproblem：目前宇宙密度参数Ω0的值接近于1，说明宇宙是平直的要求在宇宙年龄=2000年时，Ω0必须精确为1（相差不大于十万分之一），......减速膨胀放大时空弯曲为什么早期宇宙会是精确平直的？现在是52页\一共有96页\编辑于星期日（2）视界疑难问题horizonproblem：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宇宙的不同区域处于各自的视界之外，没有因果关系的区域如何进行信息交换？光子在今天宇宙视界上相对两点间的运行时间超过宇宙年龄。为什么A和B会相同?现在是53页\一共有96页\编辑于星期日（3）磁单极（子）疑难粒子物理大统一理论：磁单极子宇宙大爆炸的极高温：产生很多磁单极子现在找不到？现在是54页\一共有96页\编辑于星期日极早期宇宙度过了一个暴胀期1980s,AlanGuth（古斯）提出了宇宙极早期存在暴胀的理论：在t=10-35-10-33s阶段，宇宙经历暴胀，尺度突然指数增大~1030倍

暴胀结束后，宇宙膨胀恢复到原来的速度现在是55页\一共有96页\编辑于星期日对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现在是56页\一共有96页\编辑于星期日对视界问题的解释在暴胀前，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现在是57页\一共有96页\编辑于星期日对磁单极疑难的解释暴胀中，包括磁单极在内的各种粒子都被稀释了暴胀后，宇宙温度不再升到极高，就不再产生磁单极了现在是58页\一共有96页\编辑于星期日暴胀余波现在是59页\一共有96页\编辑于星期日BICEP2探测原初引力波现在是60页\一共有96页\编辑于星期日BICEP2探测原初引力波：B-模偏振现在是61页\一共有96页\编辑于星期日7。暗物质与宇宙大尺度结构的形成（小尺度）可见物质密度的初始涨落是目前宇宙结构（星系等）的形成条件目前微波背景辐射涨落的形成条件在退耦前，可见物质密度的初始涨落无法增长因为受到辐射与可见物质耦合的阻止所以，可见物质密度的初始涨落只能在宇宙中性化（复合）后才开始（靠引力）增长微波背景辐射涨落~可见物质密度初始涨落但在宇宙年龄内不能形成观测到的宇宙结构可见物质靠自身无法形成宇宙结构！现在是62页\一共有96页\编辑于星期日暗物质的重要作用暗物质是宇宙物质的主要成分，暗物质密度涨落在宇宙大尺度结构形成中起主要作用暗物质只有（弱作用和）引力作用暗物质与辐射没有耦合暗物质的凝聚可以在辐射与正常物质退耦前发生。退耦后，暗物质引力加快正常物质涨落的凝聚暗物质密度涨落的（提前）凝聚不会影响微波背景辐射的涨落没有暗物质的宇宙会是没有星系，没有恒星，没有行星，没有生命，当然也就没有天文学家和学生宇宙只是弥漫的气体和辐射现在是63页\一共有96页\编辑于星期日暗物质的成分暗物质的成分:热暗物质(hotdarkmatter,HDM)：粒子质量很小，速度接近光速（如中微子）→宇宙大尺度结构小结构（自上而下）冷暗物质(colddarkmatter,CDM)：粒子质量较大、速度较慢（WIMPs）→宇宙小尺度结构大结构（自下而上）暗物质很可能同时包括热暗物质和冷暗物质，目前结论是冷暗物质主导标准ΛCDM宇宙学模型（温暗物质warmdarkmatter？）现在是64页\一共有96页\编辑于星期日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暗物质引力作用下向高密度区域聚集，形成星系和星系团现在是65页\一共有96页\编辑于星期日宇宙结构形成的数值模拟尺度：5亿光年微小的初始密度涨落（CMB的涨落）随宇宙膨胀，涨落成长为今天所见的宇宙结构计算中如果不加入足够的暗物质,不会产生今天所看到的宇宙结构现在是66页\一共有96页\编辑于星期日20%HDM,80%CDM,Ω0=1暗蓝(平均密度)→绿→黄→红→白(100平均密度)100Mpc1.5Mpc暗物质晕现在是67页\一共有96页\编辑于星期日8。宇宙的演化史现在是68页\一共有96页\编辑于星期日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1/137束缚原子∞弱（相互作用）力10-5引起放射性10-17

引力6×10-39束缚宏观物体∞现在是69页\一共有96页\编辑于星期日物质与辐射辐射主导宇宙物质主导宇宙在最大的尺度上，宇宙是物质和辐射的均匀混合体宇宙中的物质包括可见物质与暗物质辐射主要来自微波背景辐射

ρM≈

0.27ρc=0.27×10-29gcm-3

>

ρR

≈4×10-34gcm-3(E=mc2)→目前的宇宙是物质主导的现在是70页\一共有96页\编辑于星期日物质与辐射密度的演化宇宙膨胀导致物质与辐射密度随时间减小同时辐射还由于宇宙膨胀发生红移

因此辐射密度比物质密度随时间减小得更快在宇宙早期是辐射主导的

辐射主导与物质主导时期的分界约在宇宙年龄的几千年左右现在是71页\一共有96页\编辑于星期日早期宇宙的物质创生在极高温度下，高能光子的相互碰撞会产生正负粒子对起点温度：质子~1013K；电子~6×109K；

正负粒子对湮灭会产生光子正负粒子存在微小的不对称性（1/1010），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就构成了今天的物质世界现在是72页\一共有96页\编辑于星期日7.1

辐射主导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、弱相互作用力和电磁力统一为一种力（TOE）大统一理论时代：当t=10-43s,T=1032K,引力与其它力分离。强相互作用力、弱相互作用力和电磁力统一(GUT)t~0－10-43

sΡ

~

∞－1096gcm-3T~

∞－1032

Kt~10-43－10-35sρ~1096

－1080gcm-3T~1032－1028K现在是73页\一共有96页\编辑于星期日重子时代:强力与弱电分离。重子和轻子处于热平衡状态。

t=10-10s,T=1015K,弱相互作用力与电磁力分离。t=10-4s,T<1013K，重子形成过程结束轻子时代:

轻子处于热平衡状态。当t=102s,T<109K,正负电子对形成过程结束t~10-35－10-4

sρ~1080－1013

gcm-3T~1028

－1012

Kt~10-4－102

sρ~1013－101

gcm-3T~1012－109

K现在是74页\一共有96页\编辑于星期日四种力的分离现在是75页\一共有96页\编辑于星期日6.2核时代Stellarnucleosynthesis:恒星演化理论可以较好地解释宇宙中重元素的丰度（恒星内部和爆发的核合成）但轻元素丰度的理论与观测值不符，特别是氦元素丰度比恒星演化理论预计高25%

。这部分氦元素丰度被认为是宇宙早期的原初丰度

Primordial（bigbang）nucleosynthesis:通常将宇宙早期比氢元素更重的元素形成过程称为原初（大爆炸）核合成，宇宙大爆炸理论预言了这些元素的丰度，与观测值一致现在是76页\一共有96页\编辑于星期日当t=102s,T=109K,宇宙中的可见物质包括电子、质子和中子，其中质子与中子数目比为7:1随着宇宙冷却，质子和中子聚合成更重的元素t~102s－103

yrρ~101–10-16

gcm-3T~109–6×104

K现在是77页\一共有96页\编辑于星期日大爆炸核合成(He)质子与中子结合形成氘核：1H+neutron

2H+E。但氘核一旦形成，就被高能光子瓦解，这个阶段称为氘瓶颈当t=2min,T=9×108K，氘核可以稳定地形成，并通过核反应迅速生成氦原子核Formationof4He,comparewithppchainandCNOcycle现在是78页\一共有96页\编辑于星期日大爆炸宇宙学预言氦丰度核反应的结果是，在几分钟内，几乎所有的中子被消耗光，宇宙中的可见物质只有质子、氦核、电子以及微量的Li、Be、B

由于宇宙的膨胀和冷却，氦核无法通过核反应生成更重的元素当

t=103s,T=3×108K，宇宙元素丰度确定，即宇宙原初元素丰度核合成开始时质子与中子数目之比为7:1→质子与氦核的数目比为12:1；→质子与氦核总质量之比为3:1→氦(质量)丰度为25%现在是79页\一共有96页\编辑于星期日大爆炸核合成的轻元素现在是80页\一共有96页\编辑于星期日观测符合预言：限制重子密度恒星内部核合成产生极少量的氘，因此观测到的宇宙中的氘主要来自原初核合成宇宙密度越高，粒子与氘的反应越多，氘丰度越低目前观测的氘与氢的丰度比为10-5-10-4（与理论预言一致），要求重子物质的密度为临界密度的4%ΩM≈0.27→暗物质不可能主要由重子物质构成大爆炸核合成的元素丰度与观测比较观测结果模型重子密度现在是81页\一共有96页\编辑于星期日6.3物质主导原子时代:物质开始在宇宙中占主导地位高温使得氢和氦处于电离状态，大量的自由电子导致光子的自由程极短（耦合、不透明）当温度降至约几千K