宇宙的大尺度結構

宇宙的大尺度結構

國家天文臺2006年11月1日2/29/20241宇宙有多大？

宇宙中有什么？

人類如何認識宇宙？Hubble深空圖2/29/20242天體的距離單位▲

1天文單位(AU)=太陽到地球的平均距離

1.5108公里（1.5億公里）▲

1光年(ly)

0.951013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)2/29/20243天體距離的測定方法1)幾何方法：在地球公轉不同位置處觀測同一天體在天球上的坐標,經(jīng)過計算得出視差π，也就得到距離D。D=206,265a.u./π"（適用于銀河系內(nèi)）2/29/202442)光度方法：設天體光度為L，亮度為B，則有B∝L·D－2B是可觀測量，如果能設法求到光度L，則可由上式求得距離D，稱為光度距離。2/29/20245用造父變星做標準燭光（適合近星系）2/29/20246用Ia型超新星作標準燭光（較遠的星系）2/29/202473)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，意味著星系退行的速度正比于星系的距離

2/29/20248哈勃定律2/29/20249距離階梯2/29/202410宇宙中的等級式結構宇宙中存在明顯的等級式結構:恒星>星系>星系團>超星系團2/29/202411銀河系2/29/202412本星系群（LocalGroup）銀河系所屬的數(shù)十個星系的集合，尺度約數(shù)百萬光年2/29/202413星系團(ClusterofGalaxies)數(shù)十至數(shù)千個星系的集合，星系團的尺度約數(shù)千萬光年：

室女座星系團2/29/202414超星系團:若干星系團的集合體2/29/202415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)了許多有趣的結構.例如巨洞、纖維.2/29/202416星系分布的大尺度結構2/29/202417觀測宇宙目前發(fā)現(xiàn)的最遠天體：137億光年

半徑137億光年室女座超星系團2/29/202418宇宙天體的空間尺度

地球107米太陽 109米太陽系（恒星） 1013米星系（銀河系）1021米(十萬光年)星系團 1023米(百萬光年)超星系團 1025米(億光年)大尺度結構大于3億光年觀測宇宙>1026米(百億光年)2/29/202419星系巡天與宇宙大尺度結構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：對某一特定小天區(qū)進行深度露光如：HSTdeepfield，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）2/29/2024202D巡天(APM)星系分布約200萬個星系在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的結構2/29/2024212/29/2024222dF紅移巡天星系分布2/29/202423一百萬星系（亮于18.5等）十萬類星體同時測量640個天體，光譜分辨率R＝2000

斯隆紅移巡天(SDSS)2/29/202424SDSS2003年200,000星系2/29/202425APOSDSS2000s2/29/202426星系紅移巡天發(fā)現(xiàn)的結構巨洞(voids)：不含或很少星系的區(qū)域，尺度約10－60Mpc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(superclusters)：由星系組成的特定纖維區(qū)域2/29/202427星系結團的數(shù)學描述距離為r的兩個體積元dV1和dV2中發(fā)現(xiàn)一對星系的聯(lián)合概率dP＝n2(1+ξ(r))dV1dV2ξ(r)稱為兩點相關函數(shù)許多紅移巡天的結果給出

2/29/202428功率譜ξ(r)的傅里葉變換稱為功率譜2/29/202429星系分布的“結團性”<δ2R>是描述星系分布結團性的無量綱量，確定一個體積內(nèi)的密度起伏，定義為 式中k≈R-1σ8常用來表示尺度R=8h-1Mpc內(nèi)的密度起伏.2/29/202430星系相關函數(shù)中的重子聲學振蕩2/29/202431精確測定宇宙的整體參數(shù)

H0 哈勃常數(shù)50-100km/s/Mpc？

0 總密度 0.2-？

宇宙學常數(shù) 0-？m物質密度0.2-？

b重子密度0.04？到百分之幾的精度2/29/202432WMAP（2001－2003）的貢獻2/29/202433WMAP測繪的CBR天圖2/29/202434WMAP得到的CBR功率譜2/29/202435WMAP的貢獻|n-1|/n<<1=0.01+-0.04.

->尺度無關譜Wb/|

Wm-

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

->暗物質主導Wtot=1.02+-0.04.

->平坦宇宙4) |hopt–hcbr

|<<1=5%+-10%;確認5) |s8cbr-

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

確認6) tscat=0.17+-0.04;意外結果Spergeletal:20032/29/202436多參數(shù)估計存在簡并性需要相互獨立的觀測予以解除，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參數(shù)進一步精確化例如Tegmarket.al.(2006)用SDSS數(shù)據(jù)給出：物質密度Ωm=0.24±0.02(1σ)中微子質量Σmν<=0.9eV(95%)Ωt=1.003±0.010(WMAPΩt=1.02±0.04)設Ωt=1，物態(tài)方程參數(shù)約束到w=-0.94±0.092/29/202437SDSS2006年樣本星系分布2/29/202438功率譜2/29/202439對宇宙學參數(shù)的進一步約束2/29/2024402/29/2024412/29/2024422/29/2024432/29/2024442/29/2024452/29/202446諧和宇宙模型（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小結整個說來，諧和

CDM模