宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)

1、宇宙的大尺度結(jié)構(gòu) 國家天文臺(tái) 2006年11月1日10/5/20221宇宙有多大？ 宇宙中有什么？人類如何認(rèn)識(shí)宇宙？Hubble 深空圖10/5/20222天體的距離單位 1 天文單位(AU) = 太陽到地球的平均距離 1.5 108 公里 （ 1.5億公里） 1 光年( ly ) 0.95 1013公里 光在 1 年里走過的路程 1 秒差距 ( pc ) 3 1013 公里 1 秒差距 3.26 光年 20萬天文單位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) 10/5/20223天體距離的測定方法1)幾何方法：在地球公轉(zhuǎn)不同位置處觀測同一天體在天球

2、上的坐標(biāo),經(jīng)過計(jì)算得出視差，也就得到距離D。D=206,265 a.u./ （適用于銀河系內(nèi)）10/5/202242)光度方法：設(shè)天體光度為L，亮度為B，則有BLD2B是可觀測量，如果能設(shè)法求到光度L，則可由上式求得距離D，稱為光度距離。10/5/20225用造父變星做標(biāo)準(zhǔn)燭光（適合近星系）10/5/20226用Ia型超新星作標(biāo)準(zhǔn)燭光（較遠(yuǎn)的星系）10/5/202273)星系紅移和哈勃定律1929年，Hubble發(fā)現(xiàn)星系光譜線的紅移同距離成正比，若解釋為多普勒效應(yīng)， 意味著星系退行的速度正比于星系的距離 10/5/20228哈勃定律10/5/20229 距離階梯10/5/202210宇宙中的等

3、級(jí)式結(jié)構(gòu) 宇宙中存在明顯的等級(jí)式結(jié)構(gòu): 恒星 星系 星系團(tuán) 超星系團(tuán)10/5/202211銀河系10/5/202212本星系群（Local Group）銀河系所屬的數(shù)十個(gè)星系的集合，尺度約數(shù)百萬光年10/5/202213星系團(tuán) (Cluster of Galaxies)數(shù)十至數(shù)千個(gè)星系的集合，星系團(tuán)的尺度約數(shù)千萬光年： 室女座星系團(tuán)10/5/202214超星系團(tuán): 若干星系團(tuán)的集合體10/5/202215星系紅移巡天1980年代: CfA1, CfA2，（103星系）1990年代：LCRS， （104星系）2000年代：2dF，SDSS， （105星系）星系紅移巡天發(fā)現(xiàn)了許多有趣的結(jié)構(gòu). 例如

4、巨洞、纖維.10/5/202216星系分布的大尺度結(jié)構(gòu) 10/5/202217觀測宇宙目前發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)天體：137億光年 半徑137億光年室女座超星系團(tuán)10/5/202218宇宙天體的空間尺度地球 10 7 米太陽 10 9 米太陽系（恒星） 10 13 米星系（銀河系） 10 21 米 (十萬光年)星系團(tuán) 10 23 米 (百萬光年)超星系團(tuán) 10 25 米 (億光年)大尺度結(jié)構(gòu) 大于 3億光年觀測宇宙 10 26 米 (百億光年)10/5/202219星系巡天與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)巡天一般都到一定的紅移或星等，即有一定的觀測極限巡天的分類：1D（一維）巡天：對(duì)某一特定小天區(qū)進(jìn)行深度露光如：HST

5、deep field，類星體萊曼阿爾法吸收線叢2D（二維）巡天：覆蓋天空大面積的照相觀測如帕洛馬巡天，APM巡天(不含視線方向距離信息）3D（三維）巡天：覆蓋天空中一塊區(qū)域的分光觀測如2dF,SDSS（含星系在天球上的位置及視向距離信息）10/5/2022202D巡天(APM)星系分布約200萬個(gè)星系在 30度天空范圍和20億光年距離范圍內(nèi)的分布沒有發(fā)現(xiàn)尺度超過200Mpc 的結(jié)構(gòu)10/5/20222110/5/2022222dF紅移巡天星系分布10/5/202223一百萬星系（亮于18.5等）十萬類星體同時(shí)測量640個(gè)天體，光譜分辨率R2000斯隆紅移巡天(SDSS)10/5/202224S

6、DSS 2003年200,000星系10/5/202225APOSDSS2000s10/5/202226星系紅移巡天發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)巨洞(voids)：不含或很少星系的區(qū)域，尺度約1060Mpc纖維(filaments)：海綿狀的星系分布，長度約70 150Mpc，形成巨洞的邊界超星系團(tuán)(superclusters)：由星系組成的特定纖維區(qū)域10/5/202227星系結(jié)團(tuán)的數(shù)學(xué)描述距離為r的兩個(gè)體積元dV1和dV2中發(fā)現(xiàn)一對(duì)星系的聯(lián)合概率 dPn2(1+(r) dV1 dV2(r)稱為兩點(diǎn)相關(guān)函數(shù)許多紅移巡天的結(jié)果給出 10/5/202228功率譜(r)的傅里葉變換稱為功率譜10/5/202229星

7、系分布的“結(jié)團(tuán)性” 是描述星系分布結(jié)團(tuán)性的無量綱量，確定一個(gè)體積內(nèi)的密度起伏，定義為式中 k R-1 8 常用來表示尺度R = 8h-1 Mpc內(nèi)的密度起伏.10/5/202230星系相關(guān)函數(shù)中的重子聲學(xué)振蕩10/5/202231精確測定宇宙的整體參數(shù)H0 哈勃常數(shù) 50-100 km/s/Mpc ？0 總密度0.2-？ 宇宙學(xué)常數(shù) 0 - ？m 物質(zhì)密度 0.2-？b 重子密度 0.04？到百分之幾的精度10/5/202232WMAP（20012003）的貢獻(xiàn)10/5/202233WMAP測繪的CBR天圖10/5/202234WMAP得到的CBR功率譜10/5/202235WMAP的貢獻(xiàn)|n

8、-1|/n 尺度無關(guān)譜Wb / | Wm- Wb| 暗物質(zhì)主導(dǎo)Wtot = 1.02 +- 0.04.-平坦宇宙4)| hopt hcbr | 1 = 5%+-10%; 確認(rèn)5)|s8cbr- s8clstr | / s8 1 = 0.29+-0.45; 確認(rèn)6)tscat = 0.17+-0.04; 意外結(jié)果Spergel et al: 200310/5/202236多參數(shù)估計(jì)存在簡并性需要相互獨(dú)立的觀測予以解除，紅移巡天提供的星系大尺度分布數(shù)據(jù)可以將CMB功率譜擬合得到的宇宙學(xué)參數(shù)進(jìn)一步精確化例如 Tegmark et.al.(2006)用SDSS數(shù)據(jù)給出：物質(zhì)密度 m=0.240.02(

9、1) 中微子質(zhì)量 m=0.9eV(95%)t=1.0030.010 (WMAP t=1.020.04)設(shè)t=1，物態(tài)方程參數(shù)約束到w=-0.940.09 10/5/202237SDSS 2006年樣本星系分布10/5/202238功率譜10/5/202239對(duì)宇宙學(xué)參數(shù)的進(jìn)一步約束10/5/20224010/5/20224110/5/20224210/5/20224310/5/20224410/5/20224510/5/202246諧和宇宙模型（Tegmark et.al.) tot = 1 (assumption) cdm= 0.260 0.037 baryon= 0.0486 0.00019 lambda= 0.691 0.036 n= 0.966 0.023 H0= 68.3 km/s/Mpc 8= 0.894 0.057 tscat=0.103 0.05410/5/202247小結(jié)整個(gè)說來，諧和CDM模型非常成功.CBR 提供了最精確的檢驗(yàn);