清華大學(xué)天文學(xué)導(dǎo)論宇宙學(xué)

天文學(xué)導(dǎo)論第11講宇宙學(xué)

Amansaidtotheuniverse:“Sir,Iexist!”“However,”repliedtheuniverse,“ThefacthasnotcreatedinmeAsenseofobligation.”StephenCrane(1871—1900)現(xiàn)在是1頁\一共有96頁\編輯于星期日本講內(nèi)容宇宙學(xué)原理宇宙在膨脹宇宙起源于一次大爆炸宇宙微波背景輻射宇宙的密度與形狀（加速膨脹與暗能量）暴脹宇宙宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成（暗物質(zhì)宇宙的演化史結(jié)束語現(xiàn)在是2頁\一共有96頁\編輯于星期日1。宇宙學(xué)原理CosmologicalPrincipal宇宙學(xué)原理：無論身處宇宙的何處，“觀測(cè)者”所看到的宇宙都是相同的物理規(guī)律的普適性宇宙學(xué)原理的兩個(gè)推論：宇宙中的物質(zhì)分布是均勻的（空間尺度足夠大）宇宙是各向同性的宇宙學(xué)原理表明宇宙既要均勻又要各向同性數(shù)十年的觀測(cè)證明宇宙學(xué)原理是經(jīng)得起檢驗(yàn)的現(xiàn)在是3頁\一共有96頁\編輯于星期日1.1宇宙中物質(zhì)是均勻分布的(Homogeneity)宇宙在大尺度上（大于幾億光年的超團(tuán)尺度）均勻迄今沒有發(fā)現(xiàn)尺度超過~6億光年的結(jié)構(gòu)（→宇宙是無邊界的）~105galaxies現(xiàn)在是4頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙大尺度上的均勻性約100萬個(gè)星系在約30度天空范圍內(nèi)和約20億光年距離以內(nèi)的分布在這個(gè)尺度上，每個(gè)方向的星系計(jì)數(shù)大致相同現(xiàn)在是5頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙小尺度上的非均勻性距離最近（約5億光年距離以內(nèi)）的15,000個(gè)星系的全天圖。在這個(gè)尺度上，宇宙中星系的分布根本不均勻而是趨于成團(tuán)的本超星系團(tuán)隱帶

英仙-雙魚超團(tuán)現(xiàn)在是6頁\一共有96頁\編輯于星期日

1.2宇宙是各向同性的(Isotropy)從任何方向看，我們的宇宙大致都是相同的（→宇宙沒有中心）身處宇宙任何地方的“觀測(cè)者”向任何方向看都能得到相同的哈勃定律現(xiàn)在是7頁\一共有96頁\編輯于星期日均勻，各向同性不均勻，不各向同性均勻，不各向同性均勻，不各向同性現(xiàn)在是8頁\一共有96頁\編輯于星期日2。宇宙在膨脹TheExpandingUniverse1920s，維斯托·斯萊弗（VestoSlipher）：絕大部分星系的吸收線紅移

星系都在遠(yuǎn)離我們而去星系的退行速度1929，埃德溫·哈勃（EdwinHubble）：星系距離+星系退行速度星系退行速度與距離成正比：

Vr＝H0×D，即哈勃定律大爆炸宇宙學(xué)的重要觀測(cè)證據(jù)之一現(xiàn)在是9頁\一共有96頁\編輯于星期日現(xiàn)在是10頁\一共有96頁\編輯于星期日哈勃圖HubbleDiagram由于造父變星的周光關(guān)系的定標(biāo)問題，哈勃低估了星系距離，由此得出的哈勃常數(shù)是現(xiàn)代值的7倍之多！H0=500km/s/MpcH0＝71±4km/s/Mpc哈勃的數(shù)據(jù)現(xiàn)代的數(shù)據(jù)現(xiàn)在是11頁\一共有96頁\編輯于星期日3。宇宙開始于一次大爆炸哈勃定律：所有星系在過去是疊加在一起的宇宙的一切（物質(zhì)與輻射、能量）起源于一點(diǎn)，即宇宙開始于一次大爆炸（thebigbang）!現(xiàn)在是12頁\一共有96頁\編輯于星期日哈勃時(shí)間（Hubbletime）1/H0哈勃定律表明星系之間相互遠(yuǎn)離所持續(xù)的時(shí)間相同，稱為哈勃時(shí)間（與具體的星系及其距離無關(guān)）等速膨脹1/H0即為宇宙年齡H0＝71

km/s/Mpc

宇宙年齡~

137億年現(xiàn)在是13頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙學(xué)家很尷尬我們的宇宙有一個(gè)起點(diǎn)（時(shí)間）但這個(gè)起點(diǎn)在哪里？宇宙大爆炸發(fā)生在任何一個(gè)地方如果大爆炸點(diǎn)不同于宇宙其它地方違背宇宙無中心原理？大爆炸不是簡(jiǎn)單地把物質(zhì)拋向空間！（中心和邊界）?現(xiàn)在是14頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙即創(chuàng)生？星系并非自身在時(shí)空中相互遠(yuǎn)離，而是宇宙自身的膨脹使得構(gòu)成宇宙的星系相互遠(yuǎn)離宇宙大爆炸是宇宙自身時(shí)空（空間、時(shí)間、物質(zhì)與能量）的創(chuàng)生與膨脹！現(xiàn)在是15頁\一共有96頁\編輯于星期日尺度因子scalefactor（R）宇宙的膨脹以尺度因子R來量度，無量綱化宇宙大小R隨宇宙膨脹而變大過于<1現(xiàn)在=1未來>1大爆炸的初期，宇宙很小T=1天，幾倍太陽系T=1/50秒，地球大小......,原子，質(zhì)子，......宇宙的膨脹不影響局域的物理規(guī)律：原子、恒星、星系或任何別的事情現(xiàn)在是16頁\一共有96頁\編輯于星期日紅移是宇宙尺度因子改變的結(jié)果紅移直接測(cè)量輻射發(fā)出時(shí)的宇宙尺度因子，即自從輻射發(fā)出以后宇宙尺度因子的改變Z=0,R=1Z=1,R=1/2Z=2,R=1/3......現(xiàn)在是17頁\一共有96頁\編輯于星期日勒梅特的原始原子論1927年，比利時(shí)教士與天文學(xué)家勒梅特（GeorgesLema?tre）指出哈勃所觀測(cè)到的宇宙膨脹現(xiàn)象正是愛因斯坦引力場(chǎng)方程（廣義相對(duì)論描述宇宙）所預(yù)言的因此，過去的宇宙必定比今天的宇宙占有較小的空間尺度。并且，宇宙有一個(gè)起始之點(diǎn)，稱為“原始原子”（哈勃定律[宇宙膨脹]、宇宙加速膨脹?。┈F(xiàn)在是18頁\一共有96頁\編輯于星期日αβγ大爆炸宇宙學(xué)1940s,伽莫夫（Gamov）和其學(xué)生阿爾夫（Alpher）首先提出宇宙起源于約150億年前一次猛烈的巨大爆炸1948年4月1日，發(fā)表論文的作者順序：Alpher、Bethe貝特和Gamovαβγ大爆炸宇宙學(xué)隨著宇宙膨脹和溫度降低，構(gòu)成物質(zhì)的原初元素相繼形成……

預(yù)言輕元素豐度預(yù)言宇宙大爆炸的5-10K殘余背景輻射??！!現(xiàn)在是19頁\一共有96頁\編輯于星期日霍伊爾：穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型1948年，弗雷德·霍伊爾（1915-2001）與湯米·戈?duì)柕?、赫爾曼·邦?960年代，CMB等，更新1949年，BBC，“TheBigBang大爆炸”，嘲笑大爆炸模型。“奇點(diǎn)”??？元素合成理論：著名B2FH理論1983年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予福勒許多研究成果不符合正統(tǒng)的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)現(xiàn)在是20頁\一共有96頁\編輯于星期日4.

宇宙微波背景輻射

TheCosmicMicrowaveBackground(CMB)1948年,Alpher,Bethe和Gamov預(yù)言5-10K的宇宙大爆炸的殘余背景輻射1964年,Dicke,Peebles,Roll和Wilkinson計(jì)算得到背景輻射為溫度10K的黑體輻射。準(zhǔn)備去尋找.....沒找到現(xiàn)在是21頁\一共有96頁\編輯于星期日CMB的發(fā)現(xiàn)1965年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯Penzias和威爾遜Wilson在7.35厘米波長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)宇宙背景中存在溫度為3K且各向同性的黑體輻射，即宇宙微波背景輻射20世紀(jì)60年代四大天文發(fā)現(xiàn)之一，大爆炸觀測(cè)證據(jù)This"sugarscoop"antenna,originallybuilttocommunicatewithEarth-orbitingsatellites,wasusedindiscoveringthe3KCMB.RobertWilson(left)andArnoPenzias,whousedtheantennatomakethediscovery1979NobelPrizeinphysics現(xiàn)在是22頁\一共有96頁\編輯于星期日CMB的觀測(cè)特征1989年，宇宙背景探測(cè)儀（CosmicBackgroundExplorer[COBE]）

衛(wèi)星對(duì)0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景輻射進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CMB是2.73K黑體輻射譜；CMB是高度各向同性的現(xiàn)在是23頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙微波背景輻射譜：完美的T=2.73K黑體譜2006年諾貝爾獎(jiǎng)點(diǎn)1979年諾貝爾獎(jiǎng)點(diǎn)現(xiàn)在是24頁\一共有96頁\編輯于星期日CMB可測(cè)量地球相對(duì)宇宙自身的運(yùn)動(dòng)由地球的運(yùn)動(dòng)引起的宇宙背景輻射溫度的漲落，稱為CMB的偶極不對(duì)稱性地球相對(duì)于CMB以~368km/s的速度沿巨爵座（Crater）方向運(yùn)動(dòng)CMB輻射的溫度變化（藍(lán)色：2.724K，紅色：2.732K.）地球運(yùn)動(dòng)的朝向與背向方向的溫度分別變化10-3

現(xiàn)在是25頁\一共有96頁\編輯于星期日微波背景輻射的各項(xiàng)異性漲落(COBE)扣除微波背景輻射的偶極不對(duì)稱和銀河系塵埃輻射的影響后，微波背景輻射仍表現(xiàn)出大小為十萬分之幾的溫度變化這種細(xì)微的溫度變化表明宇宙演化早期（~38萬年）存在微小的不均勻性，正是這種不均勻性導(dǎo)致了星系的形成

現(xiàn)在是26頁\一共有96頁\編輯于星期日TheNobelPrizeinPhysics2006JohnC.Mather1/2oftheprizeNASAGoddardSpaceFlightCenter

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

Berkeley,CA,USAb.1945"fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation““發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜形式和各項(xiàng)異性“現(xiàn)在是27頁\一共有96頁\編輯于星期日Boomerang(飛鏢)的觀測(cè)結(jié)果COBE不能測(cè)量角尺度小于7度的CMB的漲落1999年1月，南極，飛鏢氣球飛鏢數(shù)據(jù)顯示了大約1度尺度上CMB

更強(qiáng)的漲落：大約萬分之一的溫度差異現(xiàn)在是28頁\一共有96頁\編輯于星期日TheWilkinsonMicrowaveAnisotropy

Probe(WMAP)2001.6.30發(fā)射威爾金森背景輻射各項(xiàng)異性探測(cè)器

五個(gè)波段：3.2--13

mm測(cè)量CMB在0.2o-1o

尺度上的漲落（+-萬分之二）得到了來自宇宙最古老輻射的詳細(xì)天圖現(xiàn)在是29頁\一共有96頁\編輯于星期日COBE和WMAP的比較現(xiàn)在是30頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙年齡：137億年，誤差~1%第一代恒星在大爆炸后2億年形成CMB來自大爆炸后38萬年宇宙內(nèi)含：4%重子,23%暗物質(zhì),73%暗能量！H0=71km/sec/Mpc(誤差~5%)宇宙暴脹的新證據(jù)

（偏振信號(hào)）宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去WMAP結(jié)果現(xiàn)在是31頁\一共有96頁\編輯于星期日Planck普朗克現(xiàn)在是32頁\一共有96頁\編輯于星期日Planck的宇宙學(xué)參數(shù)H0：

71

67.3km/sec/Mpc宇宙年齡：137

138.1

億年現(xiàn)在是33頁\一共有96頁\編輯于星期日5。宇宙的密度與形狀宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去嗎？宇宙的命運(yùn)如何，取決于其中所含“物質(zhì)”的多少宇宙的引力（質(zhì)量）同樣使其膨脹減速如果有足夠的質(zhì)量，其引力大得使膨脹減速、停止，最后不可避免坍縮，直至災(zāi)難性的大擠壓如果沒有足夠的質(zhì)量，宇宙膨脹可能減速，但不會(huì)停下來現(xiàn)在是34頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙的臨界密度criticalmassdensity一個(gè)天體表面的逃逸速度由其質(zhì)量和半徑（即平均密度）決定宇宙的膨脹速度同樣由其質(zhì)量和大小即平均密度ρ決定宇宙密度存在一個(gè)臨界值ρc

≈

8×10-30gcm-3ρ

>ρc

，引力大得將停止并反演宇宙膨脹ρ

=ρc

，引力太弱，宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去ρ

<ρc，宇宙也將永遠(yuǎn)膨脹下去現(xiàn)在是35頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙物質(zhì)密度參數(shù)物質(zhì)密度參數(shù)ΩM決定由引力（物質(zhì)）所控制的宇宙的命運(yùn)，定義為≈0.04（0.049）

（可見物質(zhì)）≈0.27（0.317=0.049+0.268）（可見物質(zhì)+暗物質(zhì)）現(xiàn)在是36頁\一共有96頁\編輯于星期日物質(zhì)密度（ΩM~0.27

[0.317]）不足以閉合宇宙!現(xiàn)在是37頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙膨脹在加速！由于引力，宇宙膨脹應(yīng)減速，那么宇宙早期的膨脹速度比目前要快得多1998年，HST以及地面大型望遠(yuǎn)鏡（Keck）對(duì)高紅移的標(biāo)準(zhǔn)燭光（Ia型超新星）的觀測(cè)表明宇宙的膨脹在加速測(cè)得的亮度暗于由其星系紅移所預(yù)言的亮度，即亮度所揭示的距離大于由星系紅移所揭示的距離現(xiàn)在是38頁\一共有96頁\編輯于星期日超新星觀測(cè)支持宇宙膨脹在加速加速膨脹減速膨脹哈勃等速膨脹現(xiàn)在是39頁\一共有96頁\編輯于星期日2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)“通過觀測(cè)遙遠(yuǎn)的超新星發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹”索爾·珀?duì)栺R特SaulPerlmutter布賴恩·施密特BrianP.Schmidt亞當(dāng)·里斯AdamG.Riess現(xiàn)在是40頁\一共有96頁\編輯于星期日愛因斯坦的“偉大錯(cuò)誤”1917年，愛因斯坦將廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程應(yīng)用于宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)，即愛因斯坦場(chǎng)方程愛因斯坦場(chǎng)方程表明包含物質(zhì)的宇宙不可能恒定，表明宇宙必定會(huì)膨脹或者收縮但在哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹（1929）的10多年前，愛因斯坦認(rèn)為宇宙應(yīng)該是永恒的、穩(wěn)定的為了由廣義相對(duì)論得到一個(gè)穩(wěn)恒態(tài)宇宙，愛因斯坦在其方程中人為地加入一個(gè)起長(zhǎng)程斥力作用的“宇宙學(xué)常數(shù)”Λ，用來抵消引力選擇合適的Λ就可以得到穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型現(xiàn)在是41頁\一共有96頁\編輯于星期日愛因斯坦到威爾遜山會(huì)見哈勃后說杜撰宇宙學(xué)常數(shù)是他科學(xué)生涯中所犯的“最大錯(cuò)誤”現(xiàn)在是42頁\一共有96頁\編輯于星期日暗能量DarkEnergy造成宇宙膨脹加速，必定有某種超過引力的長(zhǎng)程斥力（反引力），這正是宇宙學(xué)常數(shù)當(dāng)初被引進(jìn)的作用天文學(xué)家稱由宇宙學(xué)常數(shù)引起的能量為暗能量，相應(yīng)地定義宇宙暗能量密度參數(shù)ΩΛ暗能量均勻分布，不會(huì)聚集成團(tuán)，其密度約為8×10-29gcm-3，只在巨大時(shí)空尺度上起作用暗能量與真空能相關(guān)，在宇宙早期不重要，因此在約一半宇宙年齡前宇宙膨脹是減速的隨著宇宙膨脹，暗能量越來越強(qiáng)大，引力越來越弱，使得膨脹轉(zhuǎn)為加速現(xiàn)在是43頁\一共有96頁\編輯于星期日愛因斯坦錯(cuò)上加錯(cuò)?愛因斯坦引入宇宙學(xué)常數(shù)是為了抵消宇宙由于引力而引起的膨脹或收縮靜態(tài)不變宇宙當(dāng)前的宇宙學(xué)常數(shù)不是用來平衡引力，而是用來解釋實(shí)際上觀測(cè)到的宇宙的加速膨脹宇宙學(xué)常數(shù)引起的加速>引力引起的減速兩個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)不可能等價(jià)！愛因斯坦錯(cuò)誤地在場(chǎng)方程中引入宇宙學(xué)常數(shù)，并選擇了不正確值。但是關(guān)于宇宙學(xué)常數(shù)的思想今天看起來還是對(duì)的，只不過“太超前了”！宇宙學(xué)常數(shù)被賦予了新的意義現(xiàn)在是44頁\一共有96頁\編輯于星期日Λ現(xiàn)在是45頁\一共有96頁\編輯于星期日現(xiàn)在是46頁\一共有96頁\編輯于星期日測(cè)量暗能量與物質(zhì)密度綜合高紅移超新星與宇宙微波背景輻射的觀測(cè)可以估計(jì)暗能量的大小Theareaofoverlap(green)indicatespossiblemodelsfortheuniversethatareconsistentwithbothkindsofmeasurements現(xiàn)在是47頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙的年齡H0=71km/s/Mpc哈勃時(shí)間1/H0=137億年如果宇宙膨脹等速，宇宙年齡為1/H0如果宇宙膨脹減速，宇宙年齡小于1/H0如果宇宙膨脹加速，宇宙年齡大于1/H0現(xiàn)在是48頁\一共有96頁\編輯于星期日最年老恒星對(duì)宇宙年齡的限制球狀星團(tuán)是宇宙中最老的恒星系統(tǒng)。宇宙的年齡>球狀星團(tuán)中恒星的年齡主序星在H-R圖上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)球狀星團(tuán)的年齡?，F(xiàn)代最好的估計(jì)為126+/-22億年銀河系中最老白矮星的年齡為120-130億年第一代恒星（星族III)應(yīng)在約1/10宇宙年齡前形成球狀星團(tuán)M3現(xiàn)在是49頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙的形狀Ω0>1,球面,正曲率，閉合宇宙,有限無界Ω0=1,零曲率,平直(開放)宇宙,無界

Ω0<1,雙曲面,負(fù)曲率,開放宇宙,無界我們的宇宙幾乎是平直的！Ω0=ΩM+ΩΛ≈1.02現(xiàn)在是50頁\一共有96頁\編輯于星期日觀測(cè)支持宇宙是平直的宇宙的形狀能夠放大或縮小宇宙微波背景輻射的漲落觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射的漲落表明宇宙的位形是平直的,即Ω0≈1“真實(shí)”CMB現(xiàn)在是51頁\一共有96頁\編輯于星期日6。暴脹宇宙TheCosmicInflation大爆炸宇宙學(xué)模型不能解釋的三個(gè)疑難問題（1）平直疑難問題flatnessproblem：目前宇宙密度參數(shù)Ω0的值接近于1，說明宇宙是平直的要求在宇宙年齡=2000年時(shí)，Ω0必須精確為1（相差不大于十萬分之一），......減速膨脹放大時(shí)空彎曲為什么早期宇宙會(huì)是精確平直的？現(xiàn)在是52頁\一共有96頁\編輯于星期日（2）視界疑難問題horizonproblem：微波背景輻射是高度各向同性的→整個(gè)宇宙應(yīng)該具有相同的溫度宇宙的不同區(qū)域處于各自的視界之外，沒有因果關(guān)系的區(qū)域如何進(jìn)行信息交換？光子在今天宇宙視界上相對(duì)兩點(diǎn)間的運(yùn)行時(shí)間超過宇宙年齡。為什么A和B會(huì)相同?現(xiàn)在是53頁\一共有96頁\編輯于星期日（3）磁單極（子）疑難粒子物理大統(tǒng)一理論：磁單極子宇宙大爆炸的極高溫：產(chǎn)生很多磁單極子現(xiàn)在找不到？現(xiàn)在是54頁\一共有96頁\編輯于星期日極早期宇宙度過了一個(gè)暴脹期1980s,AlanGuth（古斯）提出了宇宙極早期存在暴脹的理論：在t=10-35-10-33s階段，宇宙經(jīng)歷暴脹，尺度突然指數(shù)增大~1030倍

暴脹結(jié)束后，宇宙膨脹恢復(fù)到原來的速度現(xiàn)在是55頁\一共有96頁\編輯于星期日對(duì)平直問題的解釋即使宇宙早期位形是高度彎曲的，經(jīng)過暴脹會(huì)變?yōu)槠街爆F(xiàn)在是56頁\一共有96頁\編輯于星期日對(duì)視界問題的解釋在暴脹前，宇宙的大小遠(yuǎn)小于視界大小，因而具有相同的溫度暴脹后的宇宙依然具有相同的溫度現(xiàn)在是57頁\一共有96頁\編輯于星期日對(duì)磁單極疑難的解釋暴脹中，包括磁單極在內(nèi)的各種粒子都被稀釋了暴脹后，宇宙溫度不再升到極高，就不再產(chǎn)生磁單極了現(xiàn)在是58頁\一共有96頁\編輯于星期日暴脹余波現(xiàn)在是59頁\一共有96頁\編輯于星期日BICEP2探測(cè)原初引力波現(xiàn)在是60頁\一共有96頁\編輯于星期日BICEP2探測(cè)原初引力波：B-模偏振現(xiàn)在是61頁\一共有96頁\編輯于星期日7。暗物質(zhì)與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成（小尺度）可見物質(zhì)密度的初始漲落是目前宇宙結(jié)構(gòu)（星系等）的形成條件目前微波背景輻射漲落的形成條件在退耦前，可見物質(zhì)密度的初始漲落無法增長(zhǎng)因?yàn)槭艿捷椛渑c可見物質(zhì)耦合的阻止所以，可見物質(zhì)密度的初始漲落只能在宇宙中性化（復(fù)合）后才開始（靠引力）增長(zhǎng)微波背景輻射漲落~可見物質(zhì)密度初始漲落但在宇宙年齡內(nèi)不能形成觀測(cè)到的宇宙結(jié)構(gòu)可見物質(zhì)靠自身無法形成宇宙結(jié)構(gòu)！現(xiàn)在是62頁\一共有96頁\編輯于星期日暗物質(zhì)的重要作用暗物質(zhì)是宇宙物質(zhì)的主要成分，暗物質(zhì)密度漲落在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成中起主要作用暗物質(zhì)只有（弱作用和）引力作用暗物質(zhì)與輻射沒有耦合暗物質(zhì)的凝聚可以在輻射與正常物質(zhì)退耦前發(fā)生。退耦后，暗物質(zhì)引力加快正常物質(zhì)漲落的凝聚暗物質(zhì)密度漲落的（提前）凝聚不會(huì)影響微波背景輻射的漲落沒有暗物質(zhì)的宇宙會(huì)是沒有星系，沒有恒星，沒有行星，沒有生命，當(dāng)然也就沒有天文學(xué)家和學(xué)生宇宙只是彌漫的氣體和輻射現(xiàn)在是63頁\一共有96頁\編輯于星期日暗物質(zhì)的成分暗物質(zhì)的成分:熱暗物質(zhì)(hotdarkmatter,HDM)：粒子質(zhì)量很小，速度接近光速（如中微子）→宇宙大尺度結(jié)構(gòu)小結(jié)構(gòu)（自上而下）冷暗物質(zhì)(colddarkmatter,CDM)：粒子質(zhì)量較大、速度較慢（WIMPs）→宇宙小尺度結(jié)構(gòu)大結(jié)構(gòu)（自下而上）暗物質(zhì)很可能同時(shí)包括熱暗物質(zhì)和冷暗物質(zhì)，目前結(jié)論是冷暗物質(zhì)主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)ΛCDM宇宙學(xué)模型（溫暗物質(zhì)warmdarkmatter？）現(xiàn)在是64頁\一共有96頁\編輯于星期日暗物質(zhì)與星系形成宇宙開始包含均勻分布的暗物質(zhì)和正常物質(zhì)大爆炸后數(shù)千年暗物質(zhì)開始成團(tuán)暗物質(zhì)確定宇宙中物質(zhì)的總體分布和大尺度結(jié)構(gòu)正常物質(zhì)在暗物質(zhì)引力作用下向高密度區(qū)域聚集，形成星系和星系團(tuán)現(xiàn)在是65頁\一共有96頁\編輯于星期日宇宙結(jié)構(gòu)形成的數(shù)值模擬尺度：5億光年微小的初始密度漲落（CMB的漲落）隨宇宙膨脹，漲落成長(zhǎng)為今天所見的宇宙結(jié)構(gòu)計(jì)算中如果不加入足夠的暗物質(zhì),不會(huì)產(chǎn)生今天所看到的宇宙結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是66頁\一共有96頁\編輯于星期日20%HDM,80%CDM,Ω0=1暗藍(lán)(平均密度)→綠→黃→紅→白(100平均密度)100Mpc1.5Mpc暗物質(zhì)暈現(xiàn)在是67頁\一共有96頁\編輯于星期日8。宇宙的演化史現(xiàn)在是68頁\一共有96頁\編輯于星期日物質(zhì)相互作用的四種力強(qiáng)度作用范圍(m)強(qiáng)（相互作用）力1束縛核子10-15

電磁力1/137束縛原子∞弱（相互作用）力10-5引起放射性10-17

引力6×10-39束縛宏觀物體∞現(xiàn)在是69頁\一共有96頁\編輯于星期日物質(zhì)與輻射輻射主導(dǎo)宇宙物質(zhì)主導(dǎo)宇宙在最大的尺度上，宇宙是物質(zhì)和輻射的均勻混合體宇宙中的物質(zhì)包括可見物質(zhì)與暗物質(zhì)輻射主要來自微波背景輻射

ρM≈

0.27ρc=0.27×10-29gcm-3

>

ρR

≈4×10-34gcm-3(E=mc2)→目前的宇宙是物質(zhì)主導(dǎo)的現(xiàn)在是70頁\一共有96頁\編輯于星期日物質(zhì)與輻射密度的演化宇宙膨脹導(dǎo)致物質(zhì)與輻射密度隨時(shí)間減小同時(shí)輻射還由于宇宙膨脹發(fā)生紅移

因此輻射密度比物質(zhì)密度隨時(shí)間減小得更快在宇宙早期是輻射主導(dǎo)的

輻射主導(dǎo)與物質(zhì)主導(dǎo)時(shí)期的分界約在宇宙年齡的幾千年左右現(xiàn)在是71頁\一共有96頁\編輯于星期日早期宇宙的物質(zhì)創(chuàng)生在極高溫度下，高能光子的相互碰撞會(huì)產(chǎn)生正負(fù)粒子對(duì)起點(diǎn)溫度：質(zhì)子~1013K；電子~6×109K；

正負(fù)粒子對(duì)湮滅會(huì)產(chǎn)生光子正負(fù)粒子存在微小的不對(duì)稱性（1/1010），隨著宇宙的膨脹與冷卻，絕大部分粒子湮滅，極少量多余的正粒子就構(gòu)成了今天的物質(zhì)世界現(xiàn)在是72頁\一共有96頁\編輯于星期日7.1

輻射主導(dǎo)Planck時(shí)代:未知物理理論（量子引力論)，宇宙大小約為0.01cm。引力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁力統(tǒng)一為一種力（TOE）大統(tǒng)一理論時(shí)代：當(dāng)t=10-43s,T=1032K,引力與其它力分離。強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁力統(tǒng)一(GUT)t~0－10-43

sΡ

~

∞－1096gcm-3T~

∞－1032

Kt~10-43－10-35sρ~1096

－1080gcm-3T~1032－1028K現(xiàn)在是73頁\一共有96頁\編輯于星期日重子時(shí)代:強(qiáng)力與弱電分離。重子和輕子處于熱平衡狀態(tài)。

t=10-10s,T=1015K,弱相互作用力與電磁力分離。t=10-4s,T<1013K，重子形成過程結(jié)束輕子時(shí)代:

輕子處于熱平衡狀態(tài)。當(dāng)t=102s,T<109K,正負(fù)電子對(duì)形成過程結(jié)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現(xiàn)在是74頁\一共有96頁\編輯于星期日四種力的分離現(xiàn)在是75頁\一共有96頁\編輯于星期日6.2核時(shí)代Stellarnucleosynthesis:恒星演化理論可以較好地解釋宇宙中重元素的豐度（恒星內(nèi)部和爆發(fā)的核合成）但輕元素豐度的理論與觀測(cè)值不符，特別是氦元素豐度比恒星演化理論預(yù)計(jì)高25%

。這部分氦元素豐度被認(rèn)為是宇宙早期的原初豐度

Primordial（bigbang）nucleosynthesis:通常將宇宙早期比氫元素更重的元素形成過程稱為原初（大爆炸）核合成，宇宙大爆炸理論預(yù)言了這些元素的豐度，與觀測(cè)值一致現(xiàn)在是76頁\一共有96頁\編輯于星期日當(dāng)t=102s,T=109K,宇宙中的可見物質(zhì)包括電子、質(zhì)子和中子，其中質(zhì)子與中子數(shù)目比為7:1隨著宇宙冷卻，質(zhì)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現(xiàn)在是77頁\一共有96頁\編輯于星期日大爆炸核合成(He)質(zhì)子與中子結(jié)合形成氘核：1H+neutron

2H+E。但氘核一旦形成，就被高能光子瓦解，這個(gè)階段稱為氘瓶頸當(dāng)t=2min,T=9×108K，氘核可以穩(wěn)定地形成，并通過核反應(yīng)迅速生成氦原子核Formationof4He,comparewithppchainandCNOcycle現(xiàn)在是78頁\一共有96頁\編輯于星期日大爆炸宇宙學(xué)預(yù)言氦豐度核反應(yīng)的結(jié)果是，在幾分鐘內(nèi)，幾乎所有的中子被消耗光，宇宙中的可見物質(zhì)只有質(zhì)子、氦核、電子以及微量的Li、Be、B

由于宇宙的膨脹和冷卻，氦核無法通過核反應(yīng)生成更重的元素當(dāng)

t=103s,T=3×108K，宇宙元素豐度確定，即宇宙原初元素豐度核合成開始時(shí)質(zhì)子與中子數(shù)目之比為7:1→質(zhì)子與氦核的數(shù)目比為12:1；→質(zhì)子與氦核總質(zhì)量之比為3:1→氦(質(zhì)量)豐度為25%現(xiàn)在是79頁\一共有96頁\編輯于星期日大爆炸核合成的輕元素現(xiàn)在是80頁\一共有96頁\編輯于星期日觀測(cè)符合預(yù)言：限制重子密度恒星內(nèi)部核合成產(chǎn)生極少量的氘，因此觀測(cè)到的宇宙中的氘主要來自原初核合成宇宙密度越高，粒子與氘的反應(yīng)越多，氘豐度越低目前觀測(cè)的氘與氫的豐度比為10-5-10-4（與理論預(yù)言一致），要求重子物質(zhì)的密度為臨界密度的4%ΩM≈0.27→暗物質(zhì)不可能主要由重子物質(zhì)構(gòu)成大爆炸核合成的元素豐度與觀測(cè)比較觀測(cè)結(jié)果模型重子密度現(xiàn)在是81頁\一共有96頁\編輯于星期日6.3物質(zhì)主導(dǎo)原子時(shí)代:物質(zhì)開始在宇宙中占主導(dǎo)地位高溫使得氫和氦處于電離狀態(tài)，大量的自由電子導(dǎo)致光子的自由程極短（耦合、不透明）當(dāng)溫度降至約幾千K