宇宙的大尺度结构

宇宙的大尺度结构

国家天文台2006年11月1日2/29/20241宇宙有多大？

宇宙中有什么？

人类如何认识宇宙？Hubble深空图2/29/20242天体的距离单位▲

1天文单位(AU)=太阳到地球的平均距离

1.5108公里（1.5亿公里）▲

1光年(ly)

0.951013公里

光在1年里走过的路程

▲

1秒差距(pc)

3

1013公里 1秒差距3.26光年~20万天文单位 1千秒差距 =103秒差距(星系尺度) 1兆秒差距 =106秒差距(宇宙尺度)2/29/20243天体距离的测定方法1)几何方法：在地球公转不同位置处观测同一天体在天球上的坐标,经过计算得出视差π，也就得到距离D。D=206,265a.u./π"（适用于银河系内）2/29/202442)光度方法：设天体光度为L，亮度为B，则有B∝L·D－2B是可观测量，如果能设法求到光度L，则可由上式求得距离D，称为光度距离。2/29/20245用造父变星做标准烛光（适合近星系）2/29/20246用Ia型超新星作标准烛光（较远的星系）2/29/202473)星系红移和哈勃定律1929年，Hubble发现星系光谱线的红移同距离成正比，若解释为多普勒效应，意味着星系退行的速度正比于星系的距离

2/29/20248哈勃定律2/29/20249距离阶梯2/29/202410宇宙中的等级式结构宇宙中存在明显的等级式结构:恒星>星系>星系团>超星系团2/29/202411银河系2/29/202412本星系群（LocalGroup）银河系所属的数十个星系的集合，尺度约数百万光年2/29/202413星系团(ClusterofGalaxies)数十至数千个星系的集合，星系团的尺度约数千万光年：

室女座星系团2/29/202414超星系团:若干星系团的集合体2/29/202415星系红移巡天1980年代:CfA1,CfA2，…（103星系）1990年代：LCRS，…（104星系）2000年代：2dF，SDSS，…（105星系）星系红移巡天发现了许多有趣的结构.例如巨洞、纤维.2/29/202416星系分布的大尺度结构2/29/202417观测宇宙目前发现的最远天体：137亿光年

半径137亿光年室女座超星系团2/29/202418宇宙天体的空间尺度

地球107米太阳 109米太阳系（恒星） 1013米星系（银河系）1021米(十万光年)星系团 1023米(百万光年)超星系团 1025米(亿光年)大尺度结构大于3亿光年观测宇宙>1026米(百亿光年)2/29/202419星系巡天与宇宙大尺度结构巡天一般都到一定的红移或星等，即有一定的观测极限巡天的分类：1D（一维）巡天：对某一特定小天区进行深度露光如：HSTdeepfield，类星体莱曼阿尔法吸收线丛2D（二维）巡天：覆盖天空大面积的照相观测如帕洛马巡天，APM巡天(不含视线方向距离信息）3D（三维）巡天：覆盖天空中一块区域的分光观测如2dF,SDSS（含星系在天球上的位置及视向距离信息）2/29/2024202D巡天(APM)星系分布约200万个星系在30度天空范围和20亿光年距离范围内的分布没有发现尺度超过200Mpc的结构2/29/2024212/29/2024222dF红移巡天星系分布2/29/202423一百万星系（亮于18.5等）十万类星体同时测量640个天体，光谱分辨率R＝2000

斯隆红移巡天(SDSS)2/29/202424SDSS2003年200,000星系2/29/202425APOSDSS2000s2/29/202426星系红移巡天发现的结构巨洞(voids)：不含或很少星系的区域，尺度约10－60Mpc纤维(filaments)：海绵状的星系分布，长度约70－150Mpc，形成巨洞的边界超星系团(superclusters)：由星系组成的特定纤维区域2/29/202427星系结团的数学描述距离为r的两个体积元dV1和dV2中发现一对星系的联合概率dP＝n2(1+ξ(r))dV1dV2ξ(r)称为两点相关函数许多红移巡天的结果给出

2/29/202428功率谱ξ(r)的傅里叶变换称为功率谱2/29/202429星系分布的“结团性”<δ2R>是描述星系分布结团性的无量纲量，确定一个体积内的密度起伏，定义为 式中k≈R-1σ8常用来表示尺度R=8h-1Mpc内的密度起伏.2/29/202430星系相关函数中的重子声学振荡2/29/202431精确测定宇宙的整体参数

H0 哈勃常数50-100km/s/Mpc？

0 总密度 0.2-？

宇宙学常数 0-？m物质密度0.2-？

b重子密度0.04？到百分之几的精度2/29/202432WMAP（2001－2003）的贡献2/29/202433WMAP测绘的CBR天图2/29/202434WMAP得到的CBR功率谱2/29/202435WMAP的贡献|n-1|/n<<1=0.01+-0.04.

->尺度无关谱Wb/|

Wm-

Wb|<<1=17.1%+-0.25%.

->暗物质主导Wtot=1.02+-0.04.

->平坦宇宙4) |hopt–hcbr

|<<1=5%+-10%;确认5) |s8cbr-

s8clstr|/s8<<1=0.29+-0.45;

确认6) tscat=0.17+-0.04;意外结果Spergeletal:20032/29/202436多参数估计存在简并性需要相互独立的观测予以解除，红移巡天提供的星系大尺度分布数据可以将CMB功率谱拟合得到的宇宙学参数进一步精确化例如Tegmarket.al.(2006)用SDSS数据给出：物质密度Ωm=0.24±0.02(1σ)中微子质量Σmν<=0.9eV(95%)Ωt=1.003±0.010(WMAPΩt=1.02±0.04)设Ωt=1，物态方程参数约束到w=-0.94±0.092/29/202437SDSS2006年样本星系分布2/29/202438功率谱2/29/202439对宇宙学参数的进一步约束2/29/2024402/29/2024412/29/2024422/29/2024432/29/2024442/29/2024452/29/202446谐和宇宙模型（Tegmarket.al.)

Ωtot =1 (assumption)

Ωcdm =0.260 ±0.037

Ωbaryon =0.0486 ±0.00019

Ωlambda =0.691 ±0.036n =0.966 ±0.023H0 =68.3 ±km/s/Mpc

σ8 =0.894 ±0.057tscat =0.103 ±0.0542/29/202447小结整个说来，谐和

CDM模