宇宙学前沿讲座.ppt

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1、宇宙学前沿讲座宇宙微波背景辐射暗能量暗物质弦宇宙学宇宙微波背景辐射原初核合成结束后,宇宙气体处于电离状态光子处于热平衡热碰撞：主要是与自由电子的汤姆逊散射宇宙年龄∽4*105年，宇宙温度：0.3eV大部分电子和原子核结合为中性原子电子密度迅速降低→光子碰撞率急剧减少,最后完全失去碰撞机会：光子退耦光子与宇宙其它粒子几乎没有相互作用：背景光子或背景辐射场此时的光子状态将被保留下来中性原子形成和光子退耦：同一过程的两个方面宇宙微波背景辐射：大爆炸理论主要预言今天应该能观测到微波背景观测：大爆炸理论的重要证据最早的观测：1965年微波背景的进一步研究

2、和观测：从中获取更多早期宇宙的信息现测到天体的光是该天体在很久以前发出的→该天体很久以前的样子今天观测到的背景光子应来自遥远的地方退耦前光子状态被最后一次光子电子散射抹掉：看不到光子退耦以前宇宙的模样大爆炸理论：宇宙早期高度均匀最后的散射面是球形，球面上气体等温今天观测到的光子来自于最后散射面从不同方向作测量,应测到同样的辐射强度背景光子在形成前很接近热平衡：任一方向上辐射强度与频率的关系满足黑体辐射关系COBE的观测结果理论：背景辐射形成时温度∽0.3eV(3000K)现测背景辐射温度：2.75K这些光子的红移：z=1100由此可知背景光子从

3、退耦到现在的时间，最后散射面离我们的距离（理论上我们可以观测到的最远距离）光子从最后散射面到地球的过程中有可能与一般物质相互作用(如被星际物质散射)星系发出的光和背景辐射一样会被观测到它们对背景辐射的影响非常小地球相对均匀的宇宙背景有相对运动,如地球的公转及银河系的转动及相对运动观测者的运动引起多普勒效应：不同方向上测到的背景温度有差别要得到真正来自最后散射面的背景辐射,要消除这些噪音和效应的影响早期宇宙有微小的密度起伏微波背景辐射也有微小的起伏观测：不同方向背景辐射温度有微小的差别温度分布伽莫夫提出大爆炸理论时学术界普遍不信任这个理论没人想到

4、用实际观测来证实或证伪背景辐射的存在Dicke，Peebles(1960年代初普林斯顿大学)打算让年轻人Roll和Wilkinson制作仪器来测量背景辐射的温度他们无疑会成功地测到背景辐射背景辐射的发现他们意外地得知贝尔实验室在射电波段测到了背景辐射的信号Penzias，Wilson：射电天文研究，调试20英尺角形反射天线的背景噪音测到的背景噪音温度为6.7K：2.3K来自大气层0.9K来自天线内的欧姆损耗剩下3.5K不知来源天线中不明噪音是贝尔实验室老问题，实用上不需要弄清其来源Penzias和Wilson执着地要弄清它把天线拆开，弄走了在里

5、面做窝的鸽子一番努力，排除了不明噪音来自天线内部或邻近环境的可能，没有发现起因只能确定这是一个来自远处的辐射信号幸运：贝尔实验室离普林斯顿大学很近两组人接触讨论后分别写了一篇论文，发表在同一期天体物质杂志上Penzias和Wilson的论文仅有一千字左右：微波背景辐射发现是宇宙学发展中最重大的事件之一Penzias和Wilson：1978年度诺贝尔物理学奖就微波背景辐射问题本身而言，Penzias和Wilson的发现不足以令怀疑者信服单一频率（4080兆赫）测量无法证实理论预言的背景辐射具有黑体辐射谱特征此后十年：发现这种各向同性信号在许多波长

6、上都存在，定出的相应温度大体一致证实背景辐射具有黑体谱：必须在毫米和亚毫米波段进行测量这样波段上地球大气的影响变得复杂麻烦背景辐射谱的形状，80年代末前没有共识COBE(宇宙背景探测者卫星，1989年)地球大气外测量→真正确定背景辐射具有黑体谱DMR(COBE上另一套仪器)：背景辐射在不同方向上的温度差异不同方向上相隔10。两点温度差的平均结果：理论：结构形成的下限是10-6如果，到今天星系还来不及形成2006年度诺贝尔物理学奖：约翰-马瑟和乔治-斯莫特(美国)：发现黑体形态和宇宙微波背景辐射扰动现象COBE对背景辐射扰动测量的精度很低更多宇宙

7、早期信息和宇宙现状的了解：必须提高测量的精度WMAP(2001年，威尔金森微波各向异性探测器，美国国家航空航天局)：背景辐射在不同方向温度的测量精度得到很大提高WMAPPlanck(2007年)：提供最高分辨率的CMB图像微波背景辐射扰动谱测量：可以推断宇宙许多整体参量，如哈勃常数、物质比例等宇宙平坦性的精确测定也来自对微波背景辐射测量WMAP结果十分支持宇宙暗能量的存在，并对其所占的比例也有很强的推断与其它宇宙观测结合，测得的宇宙模型中各参数的精度可以得到进一步提高暗能量1998年，超新星观测结果：宇宙正在加速膨胀爱因斯坦方程宇宙加速膨胀→总

8、物质压强p和密度ρ的关系：ρ+3p<0，p<-1/3ρ压强：辐射物质p=ρ/3，一般物质p=0宇宙加速膨胀：现在宇宙介质中存在具有负压物质，并且占很大