基础天文学宇宙

基础天文学宇宙第一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五4.1大爆炸宇宙学宇宙是永恒的、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(3)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一：牛顿宇宙第二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五奥伯斯（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

第三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五假设恒星数密度为n，则距离为

r到r+dr

球壳内恒星数目为令每颗恒星的光度为L，在地球上接收到壳层内一颗恒星的辐射流量为宇宙中所有恒星照射到地球上的辐射应该从0到无穷，于是总的辐射流量为积累的星光使得黑夜应该亮如白昼！。第四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五对奥伯斯佯谬的现代解释由于宇宙膨胀，星系在离我们远去，发出的光子发生红移宇宙的年龄不是无限的，遥远恒星的光子迄今尚未到达地球。我们只可能观测到宇宙视界（天体的退行速度达到光速处）内的天体的辐射。第五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五二.膨胀的宇宙

(1)宇宙中的物质是均匀分布的 迄今没有发现尺度超过200Mpc的结构约100万个星系在30度天空范围和20亿光年距离内的分布1：宇宙学原理第六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五(2)宇宙是各向同性的→宇宙没有中心第七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五2.膨胀宇宙模型

1917年Einstein将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构，物质引力时空弯曲 其中Λ为宇宙学常数，为宇宙介质的能量动量张量。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“宇宙学常数”(cosmologicalconstant)Λ，得到一个静态宇宙模型（有限无边，没有中心）。第八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五1922年，俄国数学家A.Friedman求得不含“宇宙常数”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ρ的大小。宇宙总能量

E=T+U=mV2/2–GMm/r

=mH2r2/2–(4πr3/3)Gmρ/r =mr2(H2/2–4πGρ/3)→当ρ=ρc=3H2/(8πG)≈8×10-30gcm-3时，E=0第九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五宇宙的未来定义宇宙密度参数Ω0=ρ/ρcΩ0

>

1,束缚宇宙Ω0

<

1,开放宇宙Ω0

=1,临界束缚宇宙Ω0的测定在一个很大的空间内测量星系的质量Ω0≈0.01.如果宇宙中的物质绝大部分由暗物质构成Ω0≈0.3-0.4第十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五宇宙的位形Ω0

=1,零曲率，平直宇宙Ω0

>1,正曲率，封闭宇宙Ω0

<1,负曲率，开放宇宙第十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五3：哈勃定律与星系红移星系的谱线红移遵循哈勃定律

V=H0D

其中哈勃常数H0≈

65km/s/Mpc假设宇宙膨胀速度不随时间发生变化，由此可以得到星系退行的时间，

t=D/V=1/H0≈150亿年宇宙的年龄是有限的，它有一个起点。第十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五天文观测：宇宙正在膨胀星系间的距离正在不断变大将时间向回追溯,星系间距离会逐渐变小今天星系的平均间距约为星系自身大小的100倍宇宙的尺度因子R比现在小2个量级时星系的间距将比星系本身的尺度还要小明显的矛盾第十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五所以：星系在那时并不存在,星系的诞生是宇宙演化的结果同样,宇宙中的其它天体在宇宙早期也不存在,也是宇宙演化到一定阶段的产物宇宙膨胀的同时,宇宙中的物质组分和结构在不断变化早期的宇宙,物质的密度大,温度高宇宙密度大到分子间距比分子大小还小时,那时的宇宙中也不会有分子存在第十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五4：大爆炸宇宙学

1940sGamov和Alpher首先提出宇宙起源于约150亿年前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空间膨胀（宇宙是无中心的）。随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形成。GeorgeGamov第十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五现代宇宙学的三大基石1929哈勃膨胀（星系的整体退行）微波背景辐射轻元素的合成宇宙大爆炸理论在有限的时间以前，这些天体必然会聚集在一个极小的空间宇宙是均匀各向同性的；肯定了宇宙的早期热历史宇宙热历史提供了轻元素自然产生和结束的环境；实验测定的元素丰度符合大爆炸核合成理论Eg：宇宙年龄第十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五4.2宇宙微波背景辐射1.发现Gamov,Alpher和Herman预言5-50K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。1965年Penzias和Wilson在7.35厘米波长发现宇宙背景中存在温度为3.5K、各向同性的黑体辐射。它被证实为宇宙微波背景辐射 (CosmicMicrowaveBackground)第十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五2.特点1989年宇宙背景探测仪（COBE）对0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景辐射进行观测高度各向同性2.74K黑体辐射

第十八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五微波背景辐射谱1978Nobel:"fortheirdiscoveryofcosmicmicrowavebackgroundradiation"第十九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五微波背景辐射的涨落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。第二十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五2006年物理学诺贝尔奖两位诺贝尔奖获得者：1.JohnMather,SeniorastrophysicistatNASA’sGoddardSpaceFlightCenter2.GeorgeSmoot,ProfessorofPhysicsatUniversityofCalifornia,Berkeley2006年物理学诺贝尔奖是关于：

NobelprizeforBigBangresearch第二十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五J.MatehrandG.SmootJ.Matheretal.,1990,Astrophys.J(Letter)354,37;G.Smootetal.,1992,Astrophys.J(Letter)396,1第二十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五NobelPrize10-5K第二十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五4.3宇宙演化与原初核合成1.物质与辐射(1)物质主导与辐射主导宇宙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≈(0.3-0.4)ρc=(0.3-0.4)×10-29gcm-3>ρR

≈4×10-34gcm-3→目前的宇宙是物质主导的第二十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

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几千年左右。第二十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五物质的创生在极高温度下，高能光子的相互碰撞会产生正负粒子对

起点温度： 电子~6×109K

质子~1013K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。第二十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五2.宇宙的演化历史

辐射相（0-103yr）(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~0-10-43sρ~∞-1092gcm-3T~∞-1032K第二十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

辐射相（0-103yr）(2)大统一理论时代当t=10-43s,T=1032K,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~10-43-10-34sρ~1082-1072gcm-3T~1032-1027K第二十八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

辐射相（0-103yr）(3)重子时代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。t~10-35-10-4sρ~1072-1013gcm-3T~1027-1012K第二十九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

辐射相（0-103yr）(4)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~10-4-102sρ~1013-101gcm-3T~1012-109K第三十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

辐射相（0-103yr）(5)核时代恒星演化理论可以较好地解释宇宙中重元素的丰度。但轻元素丰度的理论与观测值不符，特别是氦元素丰度比理论预计高25%。这部分氦元素丰度被认为是宇宙早期的原初丰度。通常将宇宙早期比氢元素更重的元素形成过程称为原初核合成。t~102s-103yrρ~101–10-16gcm-3T~109–6×104K第三十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五当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5:1。质子与中子结合形成氘核

1H+neutron2H+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=2

min,T=9×108K,氘核可以稳定地形成，并通过核反应迅速生成氦核。第三十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五核反应的结果是，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、氦核和电子。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。 核合成开始时质子与中子数目比为7:1 →质子与氦核的数目比为12:1 →氦丰度25%第三十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五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。目前对理论与观测的氘与氢的丰度比为10-5-10-4，要求重子物质的密度为临界密度的1%-1.6%。考虑暗物质，Ω0≈

0.3-0.4 →暗物质不可能主要由重子物质构成。原初核合成的元素丰度第三十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

物质相(6)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。当温度降至约几千

K，电子与原子核结合形成原子当T

≈4500

K，宇宙主要由原子、光子和暗物质构成。

t~103-106yrρ~10-16–10-21gcm-3T~6×104–103K第三十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五自由电子与原子核结合形成原子（复合）使得光子可以自由地运动（仅有特定波长的光子被吸收），称为辐射与物质（重子）退耦，宇宙变得透明。今天观测到的微波背景辐射就是辐射与物质脱耦最后时期的宇宙辐射。第三十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

物质相(7)星系时代星系与大尺度结构形成，宇宙在宏观上开始表现不均匀性。类星体和第一代恒星开始出现。t~106-109yrρ~10-21–3×10-28gcm-3T~103–10K第三十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

物质相(8)恒星时代恒星持续形成。行星和生命开始出现。t~109->1010yrρ~3×10-28–10-29gcm-3T~10–3K第三十八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五第三十九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五宇宙演化史第四十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五4.5宇宙大尺度结构的形成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。第四十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五2.

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。第四十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗物质与星系形成 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。第四十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五100Mpc1.5Mpc暗物质晕宇宙结构的形成的数值模拟（20%HDM,80%CDM,Ω0=1）暗蓝（平均密度）→绿→黄→红→白（100平均密度）第四十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗物质晕（DarkHalo）宇宙的基本构成单元：星系第四十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五4.5：几个前沿问题4.5.1暗物质4.5.2暗能量4.5.3暴涨宇宙第四十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五4.5.1暗物质第四十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五原初核合成和CMB给出重子物质密度0.6<h<0.8WBh2

0.023,WB

0.04第四十八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五结构形成理论种子：密度的量子涨落WM

>0.2,WB

0.04在物质主导的时期，小的密度涨落被放大；若物质只为重子物质则速度太慢，至今还没有形成星系等结构形成理论要求非重子物质1978:"fortheirdiscoveryofcosmicmicrowavebackgroundradiation"2006:"fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation"第四十九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五宇宙学尺度上的暗物质mh2=0.135+-0.009m=0.27+-0.04WMAPCombinedfit:第五十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五星系质量的测定质光关系：据光度定质量主序星质光关系：

LMa,3a4可见物质的平均密度：

B∼10-31g/cm3光度方法第五十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五动力学方法VeraRubin：observestars第五十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五星系质量的测定ObservegalaxyrotationcurveusingDopplershiftsin21cmlinefromhyperfinesplittingObservestars第五十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五用动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，却不发光结论第五十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五星系团质量的测定VirialtheoremU=2K

K=mivi2

U~GM2/RComacluster在1933年Zwicky估计一星系团Coma星团总物质量在星系运动的基础上接近星团的边缘。当他将这个质量与一个以星系数目和星团总亮度来比较，他发现存在比预计多400倍的质量。

第五十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五X-ray

星系团的质量hydrostaticequilibriumbetamodel:However,X-rayemissionmeasuresthetemperatureandM/Mvisible=20第五十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五强引力透镜第五十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五弱引力透镜RXJ1347.5-1145(Bradacetal2005)Imageellipticity->shear->inverttheequation第五十八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五NASA/ChandraPressRelease,August21,2006

子弹星系团：两个相撞的星系团DMv.s.MOND第五十九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗物质存在!宇宙物质的80%以上为非重子物质各个尺度的天体系统中暗示有“不发光”的物质，暗物质主导了结构形成由这类物质的动力学效应可测其总量或空间分布概况不发光的物质，非重子物质是什么？I：暗的天体II：奇特的非重子物质第六十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五I：MACHOSMAssiveCompactHaloObjects”orMACHOs低质量M矮星,褐矮星,大行星等探测途径：恒星的引力透镜效应银河系中已经探测到的MACHOs数目并不能提供足够的暗物质第六十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五II：暗物质---粒子？粒子物理标准模型费米子（组成物质的基本粒子）玻色子（携带相互作用的粒子）重子物质（常规物质）第六十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五第六十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五中微子暗物质?假定宇宙热历史残留下来的中微子带有质量（满足其他的限定）

但是中微子速度近光速，为相对论性粒子

中性的，只参与弱力和引力第六十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五抹平小尺度扰动

Neutrinosmovefastandtendtowipeoutthedensitycontrast.热暗物质：太慢形成引力束缚态系统中微子第六十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五冷暗物质WIMPDarkMatter：MassiveWeaklyInteractingParticleBeyondStandModel稳定的，电中性的大质量，弱相互作用第六十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五超对称模型第六十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五超对称模型的预言第六十八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五加速器实验—寻找SuperPartnerFermiLab：TevaTronCERN：LHC第六十九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五DarkMatterZooSupersymmetry:(LSP)LightestKKtechni-baryonsgravitino,axino,invisibleaxionWIMPZILLAS………………….基本特点：宇宙学时间尺度上稳定。参与引力作用，无电磁相互作用非重子物质非相对论性运动第七十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五宇宙中WIMP热遗迹AtT>>m,AtT<m,AtT~m/22,，退偶WIMPisanaturaldarkmattercandidategivingcorrectrelicdensity(proposedtryingtosolvehierarchyproblem).Thermalequilibriumabundance热遗迹密度：第七十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗物质实验探测手段卫星空间探测地下直接探测地面探测高空气球探测对撞机探测第七十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五直接探测与间接探测第七十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗物质地下探测第七十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗物质的直接探测原理图第七十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五四川锦屏山隧道四川省锦屏山地形示意图

CMDS-IIDAMA,Xenon第七十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗物质间接探测第七十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五恒星尺度太阳系第一代恒星邻近的中子星星系尺度邻近矮椭球星系：WilliamI邻近不规则矮星系：LMC银河系：银心；银晕星系团尺度宇宙背景光从辐射强度比较到关联函数谱的比较邻近的coma等探测对象第七十八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗物质的间接探测：信号？探测相应的末态粒子末态粒子在传播过程中诱发的电磁信号第七十九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五现有实验高能中微子：AMAND,IceCube；高能光子：MAGIC,HESS,VERITAS;MILAGRO；

AGRO；

EGRET；FERMI；高能带电粒子：HEAT,AMS；

PAMELA,ATIC，FERMI；

第八十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五间接探测暗物质

关键在于如何区分众多的天体信号找传统天体过程不活跃的系统

邻近的小尺度星系找暗物质密度高，湮灭信号强的地方

暗物质晕中心：如最近的银河系中心第八十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五空间间接探测带电粒子PAMELA（2008）正电子超出反质子无超出第八十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五正负电子总流强ATIC（紫金山天文台常进）FermiLAT正负电子超出，有结构正负电子超出，无明显结构第八十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五HESS正负电子超出，无明显结构紫金山天文台常进主持的暗物质探测卫星项目预计2014年第八十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五e^+-:SZeffectICSemissionSynchrotronemissionHowtomodelthetransportprocess正负电子Multi-wavelength?Colafrancesco,IoP/RASMeeting2007第八十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五X-rayradioγ-ray复杂热闹的银河系中心radio第八十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五Fermi-LAT光子第八十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五我们的研究：低频窗口（射电波段）？第八十八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五我们研究的对象：

邻近的小尺度星系HighlatitudeHighestmass/light第八十九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五GMRT@Indian

30dishesof45mdiametereach(14incenter&16outerY)150MHz,68’,1.5mJy235MHz,44’,0.6mJy325MHz,32’,0.3mJy610MHz,17’,0.02mJy1420MHz,7’,0.03mJy第九十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗物质研究小结满足宇宙学和理论粒子物理要求的暗物质模型的粒子属性仍然是个谜。多种探测手段的综合是趋势现代宇宙学的基本组分中80%以上的质量为非重子物质，主导宇宙层级结构的形成不同尺度的天体系统（从星系到星系团）都是由暗物质主导的，暗物质主要显现其引力效应第九十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五4.5.2暗能量第九十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五2011年度诺贝尔物理奖SaulPerlmutterAdamRiessBrianSchmidt他们研究了几十个称为‘超新星’的爆炸星球，并发现宇宙在加速膨胀（1998年）第九十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五膨胀1929哈勃定律（星系的整体退行）哈勃常数H0是河外星系推行速度同距离的比值，可以表示宇宙膨胀率。值为73.8公里/秒·百万秒差距，这意味着一个星系距离地球每增加百万秒差距（3.26百万光年），它离我们而去的速度每秒就增加73.8公里。

河外星系的视向速度与距离的关系第九十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五标准烛光“量天尺”造父变星约几千万光年内星体的距离更亮的“烛光”更大尺度上的距离测量“Ia型超新星”第九十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五Ia型超新星白矮星会通过引力，从它的伴星身上窃取气体

当白矮星超过1.4倍太阳质量，它就会爆炸，变成一颗Ia型超新星。

第九十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五Ia超新星即爆炸中的恒星，它发出的亮度是几十亿颗恒星亮度的总和。第九十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五如何寻找Ia型超新星1980年代丹麦天文学家两年的时间内只找到2颗第九十八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

20世纪90年代中期，美国的两个相互竞争的超新星研究小组对一批高红移的Ia型超新星做了仔细的测量。一个是SaulPerlmutter

领导的“超新星宇宙学项目”组（1988年）；另一个是BrianSchmidt领导（AdamRiess

）的“高红移超新星搜寻组”（1994年）照相----图像---视亮度---距离光谱---谱线---红移---退行速度第九十九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五加速膨胀！发现：远处的超新星偏离预期越暗，显示越远第一百页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五十三年来，科学家又观测了许多Ia型超新星，总数达几百颗，对其分析也更加深入，实验数据显示宇宙目前的约四十亿年正在加速膨胀(a)宇宙的膨脹速度正隨時間減慢，(b)宇宙正加速膨脹，即以往宇宙膨脹的速度小於現在宇宙膨脹的速度。

为什么？第一百零一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五mM斥力组分v.s引力组分第一百零二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗能量的提出：负压强。（注意：辐射w=1/3,物质w=0)宇宙学常数对应的w=-1斥力组分:暗能量第一百零三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五斥力组分v.s引力组分第一百零四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

暗能量理论模型简介

1）宇宙学常数（真空能）2）动力学场：精质（Quintessence，Phantom,Quintom……）→不同模型预言的w演化行为不一样

暗能量是宇宙学常数？还是动力学的？认识暗能量首要任务：基于天文观测数据、开展整体分析、确定暗能量状态方程宇宙学常数问题！第一百零五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五暗能量研究小结暗能量的理论模型很多（宇宙学常数；动力学场），需要更精确的观测认证。观测发现宇宙的加速膨胀要求有暗能量的存在。暗能量贡献的是负压。现阶段研究暗能量的关键在于确定其状态方程W（z）？---我国的天籁项目第一百零六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五宇宙组分分配

Ostriker&Steinhardt,2003,Science,300,1909暗能量：73%；暗物质：23%；发光物质：0.4%（恒星和发光气体0.4%；辐射0.005%）；不可见的普通物质：3.7%（星系际气体3.6%；中微子0.1%；超重黑洞0.04%）第一百零七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五BeforeWMAPWMAPHighprecision

精确宇宙学的诞生第一百零八页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五21世纪物理学v.s19世纪物理学物理学正是一片晴空，但也还有两朵乌云：“以太”与“黑体谱”——导致了世纪性的革命

——相对论与量子力学。现在也有两朵乌云（三朵？四朵？）：“暗能量”与“暗物质”——会导致什么？109第一百零九页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五分类获奖人项目恒星H.Bethe恒星能源(1967)S.Chandrasekhar恒星结构与演化(1983)W.A.Fowler元素恒星起源(1983)脉冲星A.Hewish脉冲星(1974)R.Hulse，J.Taylor双星脉冲星(1993)宇宙学A.A.PenziasR.W.Wilson微波背景辐射的发现(1978)J.C.MatherG.F.Smoot微波背景辐射黑体谱与各向异性(2006)S.PerlmutterB.Schmidt,A.Riess宇宙加速膨胀的发现(2011)新窗口H.Alfvén磁流体力学(1970)M.Ryle综合孔径(1974)R.DavisJr.M.Koshiba宇宙中微子(2002)R.GiacconiX射线天文(2002)第一百一十页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面 我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的……

假如一个年轻人，他觉得自己一生的目的就是要做革 命性的发展的话，他应该去学习天文物理学。

——

杨振宁

现在对科学的最大的挑战，已不仅是那些已知的物质。因为在我们知道的物质之外，还有暗物质、暗能量。所以我们要立足新的基础科学前沿，一定要将小的与大的联系起来，这个方法可称为“整体统一”。我认为，“整体统一”的科学方法，应该是21世纪最重要的科学方法。

——

李政道第一百一十一页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五4.5.3暴胀宇宙第一百一十二页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五1.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3×10-26cm，远小于宇宙尺度3cm。

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第一百一十三页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五

平直问题目前宇宙密度参数Ω0的值接近于1，说明宇宙是平直的。→在宇宙早期，Ω0应该极其接近于1为什么宇宙是平直的？第一百一十四页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五2.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 1/137 束缚原子 ∞弱相互作用力10-5 引起放射性10-17重力 6×10-39

束缚宏观物体∞第一百一十五页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五大统一理论(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=10-35s,T

降至1028K以下，强相互作用力与其他力分离。 在t=10-35-10-32s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。第一百一十六页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五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。第一百一十七页，共一百二十四页，编辑于2023年，星期五TopQuark,HiggsPhysics和宇宙学（ElectroweakBaryogenesis)Whynoanti-matter-------Baryo/Leptogenesis三个条件：1）B破坏（Sphaleron)2）CandCP破坏(