1、宇宙學專題講座 馬文章 北京師范大學 天文學教授 .c宇宙加速膨脹的原委 -2011年諾貝爾物理學獎項解析1、從哈勃定律說起2、膨脹的宇宙與大爆炸宇宙模型3、宇宙中的物質質量決定著宇宙的未來4、意外發現宇宙在加速膨脹 5、宇宙加速膨脹與暗能量6、宇宙加速膨脹與宇宙的未來7、對宇宙加速膨脹的新思考 宇宙學中的幾個概念宇宙：空間和時間的總稱。 我國古代戰國時期的天文學，就有“四方上下曰宇，古往今來曰宙”的說法。宇宙學：是天文學將宇宙作為整體加以研究的一門科學；宇宙學是天文學下屬的二級學科天體物理學的一個分支學科； 宇宙學研究的內容：研究宇宙整體的物質結構、運動以及演化規律。現代

2、宇宙學： 建立在現代天文學（即全波段觀測）的觀測數據基礎上,以現代物理學（廣義相對論等）的理論，研究宇宙整體的運動、物質結構及演化。宇宙學原理 ：在宇宙中沒有一個方向或地方與其他方向或地方相區別,空間有同樣的性質,即宇宙的大尺度特征相同。該原理建筑現代天文觀測基礎上。一、從哈勃定律說起1、河外星系紅移的發現 1929年,美國天文學家哈勃研究河外星系光譜觀測資料時，發現河外星系譜線都有紅移現象。說明河外星系遠離我們而去，而且遠離的速度和距離成正比。 河外星系光譜線紅移揭示了：我們觀測到的宇宙在膨脹，即星系隨著宇宙的膨脹而相互遠離,越遠的星系遠離的速度越快。 宇宙中像銀河系這樣的星系約有500億個

3、,光譜觀測發現絕大多數都存在譜線紅移現象,即絕大多數河外星系都遠離我們而去。天文觀測事實揭示了宇宙在膨脹。2、哈勃定律的建立 哈勃根據星系的距離和退行速度資料。 經作圖發現二者呈線性關系，即星系退行速度與距離有明顯的正相關。 距離越遠的河外星系遠離的速度越大。這就是哈勃定律退行速度 = H X H ： 哈勃常數 ：距離二、膨脹的宇宙與大爆炸宇宙模型1 、宇宙的開端 基于星系光譜線紅移和哈勃定律,天文學家普遍認為宇宙在膨脹。宇宙膨脹是天文觀測觀測事實。 那么進一步倒推將會得到,過去的某一時刻宇宙中的物質都將聚集在一起,密度趨于無窮大,這可能就是宇宙的開端。 2 、基于宇宙膨脹的大爆炸宇宙模型 1

4、948年,俄裔美籍天文學家伽莫夫根據宇宙在小尺度上物質分布不均勻性；在大尺度(一億光年以上)上物質分布趨于均勻以及天體間引力作用的事實。 伽莫夫提出：宇宙起源于超高溫、超高密狀態下的原始火球。3 、伽莫夫大爆炸宇宙模型的基本要點1）、爆炸原因：伽莫夫認為，在原始火球內充滿基本粒子,是由于基本粒子相互作用原始火球發生爆炸。2）、爆炸形式：原始火球爆炸是向四面八方均勻地膨脹, 隨著膨脹物質間距離增加。3）、恒星的形成：恒星及一切實體是隨著宇宙膨脹和溫度降低過程中形成的。宇宙溫度降低各種粒子才逐步形成恒星和星系,直至演化到今天的宇宙。 因此，宇宙演化的各個時期圖像應是完全不同的。4）、微波背景輻射：

5、大爆炸理論預言:宇宙演化到今天,應有4k10k宇宙背景輻射存在。 5）、輕元素的豐度：現今宇宙空間存在的大量氫和2530%的氦,應是宇宙早期的產物。大爆炸宇宙演化進程的示意圖宇宙微波背景輻射 根據大爆炸宇宙的進程，今天測得的微波背景輻射是宇宙在3070萬年時，由40003000度高溫等離子體狀態，轉化為中性氣體并開始出現穩定的氫、氦的原子時期，標志宇宙進入復合時代。 這時的宇宙，從以能量為主的時期轉變成以物質為主的時期,在宇宙空間光子可以自由穿行。 宇宙最早出現的輻射遺存下來的余輝，就是現在溫度只有約2.725K的宇宙背景輻射。 宇宙微波背景輻射，符合溫度為2.7K絕對黑體的普朗克分布曲線。4

6、、大爆炸宇宙模型能解釋那些觀測事實 1 ）、大爆炸理論認為：所有恒星都是在宇宙溫度下降后產生的，任何天體的年齡都應比自溫度下降至靜態這一時間段要短，即應小于200億年。 目前,各種天體年齡測量結果,證明了這一點即天體年齡均小于200億年。 2 ） 、由觀測得到的各類天體氦的豐度約占25%,但恒星熱核反應理論不能解釋會有如此高的氦產生。 大爆炸宇宙理論認為,早期溫度高產生氦的效率也高,會有2530%的氦產生。 3 ）、觀測到宇宙微波背景3k輻射，是宇宙在3070萬年時，宇宙最早出現的輻射遺存下來的余輝。 這一發現強有力地支持大爆炸宇宙模型。 今天測得的微波背景輻射是宇宙在3070萬年時,宇宙進入

7、復合時代。即以能量為主的時期轉變成以物質為主的時期,在宇宙空間光子可以自由穿行。 宇宙最早出現的輻射遺存下來的余輝，就是現在溫度只有約2.725K的宇宙背景輻射。4 ）、觀測到的河外星系光譜線紅移，是由于宇宙正在膨脹形成的；是天體運動速度產生的多普勒效應。光譜線紅移說明天體在遠離我們而去。三、宇宙中的物質決定著宇宙的未來1、宇宙未來可能的三種命運1）、宇宙的臨界密度m 宇宙臨界狀態：宇宙膨脹所具有的退行運動速度 ，等于宇宙中的物質質量所決定的逃逸速度時,稱為宇宙臨界狀態。臨界密度m ：宇宙臨界狀態所具有的物質密度,就是宇宙的臨界密度m 。 根據廣義相對論導出的宇宙臨界密度公式,當取哈勃常數 =

8、70.51.3 時, 宇宙臨界密度:=0.933109克/厘米2）、宇宙未來的三種狀態 A、閉合式閉合式：宇宙所具有的平均密度m大于宇宙臨界密度m 時，宇宙將是閉合式。 宇宙由于自身引力作用,膨脹一定程度后，不再膨脹轉而逐步收縮。宇宙收縮過程中，溫度升高,物質不斷碰撞合并，最終又回到原來狀態。 B、平直式平直式：宇宙所具有的平均密度m等于宇宙臨界密度m 時，宇宙是平值式。 宇宙暴脹后膨脹逐步減慢，宇宙呈反復膨脹、收縮,永無休止狀態。 C、開放式、開放式：宇宙所具有的平均密度m小于宇宙臨界密度m 時，宇宙是開放式。 宇宙一直膨脹下去最后耗盡物質，變成黑暗的世界。 宇宙未來的命運-到底是開放式宇宙

9、,還是閉合式宇宙取決于宇宙的平均密度m 。 按照目前的天文觀測結果,宇宙中可見物質的平均密度m是比較低的,照此宇宙將一直膨脹下去。 但是，宇宙中暗物質的存在將會使宇宙平均密度大大地提高,尋找暗物質就成為現代宇宙學研究中的一個非常重要領域。 目前,天文學觀測已經顯示有暗物質存在,但暗物質的質量有多少,還有待進一步觀測與研究。 因為它關系到宇宙的未來。尋找暗物質的空間分布和質量，是21世紀天文學待解決的重要領域之一。 2009年出版的公布的宇宙學重要參數 ,是使用2001年美國發射的宇宙微波各向異性探測器(WMAP)五年觀測成果和美國大學天文聯盟主持的斯隆數字巡天(SDSS)觀測結果以及Ia型超新

10、星觀測結果得到的。 這是一組最新的宇宙學基本數據: 宇宙年齡t ：137.21.2億年 哈勃常數H。 ：70.51.3km/S.百萬秒差距 亮物質密度。： 0.04560.0015 暗物質密度 ： 0.2280.013 暗能量密度： 0.7260.015 從以上數據可見：宇宙平均密度只有27.36%,其中：亮物質只有4.56%、暗物質卻占22.8%、暗能量占72.6%。3）、暗物質與暗物質的觀測證據什么是暗物質？ 人類現有的觀測能力：包括光學、射電、紅外、紫外等全波段觀測手段和方法，都無法能觀測到的物質，統稱為暗物質。 暗物質是目前還無法解釋的物質。 既然暗物質觀測不到、又無法解釋，為什么還說

11、宇宙空間存在暗物質，目前都有哪些觀測證據？暗物質觀測證據A、引力質量總是比光度質量大得多，這就是暗物質存在的天文觀測證據之一B、銀河系較差轉動曲線-觀測值與理論值不符虛線部分是按開普勒運動定律算出速度曲線,它滿足速度與距離r成反比C、河外星系較差轉動曲線-觀測值與理論值不符D、宇宙空洞E、暗物質在空間可能的分布 美國貝爾實驗室的科學家提出一種可以給暗物質結構畫像的方法，稱為“引力透鏡質量分布繪圖術?！?）、暗物質與亮物質 暗物質 人類現有的觀測能力：包括光學、射電、紅外、紫外等，即全波段天文觀測手段和方法，都無法能觀測到的物質，統稱為暗物質。 亮物質 人類現有的觀測能力：包括光學、射電、紅外、

12、紫外等，即全波段天文觀測手段和方法，能觀測到的物質總稱為亮物質 。 暗物質 雖然用現有的輻射接收手段觀測不到它,但暗物質和亮物質一樣都具有引力，而且在空間成團的分布,并造成時空彎曲。 尋找暗物質在空間的分布以及暗物質所具有的質量，仍然是21世紀天文學待解決問題之一。四、意外發現宇宙在加速膨脹 珀爾馬特里斯里斯施密特施密特Ia型超新星圖像 1 ）、 超新星是典型的災變變星,是大質量恒星在死亡之前都要經歷的一次頗為壯觀的爆炸過程。 超新星按光度變化曲線形狀分為I 型與II 型超新星。 1、超新星與Ia型超新星 I 型超新星與II 型超新星除了光變曲線形狀不同外，最主要的區別是在超新星的光譜中有、無

13、氫線。 I 型超新星光譜中沒有氫線，II 型超新星光譜中有氫線。I型超新星又分為Ia型和Ib型。 2 ）、Ia型超新星-是含碳、氧的白矮星爆炸后的產物 它是一顆質量小于錢德拉塞卡質量極限，即小于1.4太陽質量的白矮星。由于吸積它的伴星或與它構成雙星系統或聚星系統的恒星的物質,質量不斷增大。 當這顆白矮星質量增大到超過錢德拉塞卡白矮星質量上限時即1.4太陽質量時。這顆白矮星將發生爆炸形成超新星爆發。 由于這類超新星爆炸前的質量都差不多，都是在將超過1.4個太陽質量時爆發，爆發時的規模和釋放出來的輻射能量也都差不多，即光度值L應相同。 理論上，只要精確知道一顆Ia型超新星的距離r 和視星等m, 由

14、下面公式： M = m + 5 - 5r 就可求得到 Ia型超新星絕對星等M 人們認為：所有Ia型超新星的絕對星等應當相等。 再通過觀測得到其它Ia型超新星的視星等m值， 可由下面公式： M = m + 5 - 5r 就可求得到距離 r 。 據此，看到的比較亮的Ia型超新星離我們比較近； 看到的比較暗的Ia型超新星應該離我們比較遠。3 ）、宇宙中新的標準燭光 天文學將Ia型超新星當作一個新 標準燭光,再根據被測河外星系的視星等m，就可以判斷Ia型超新星所在河外星系離我們的距離r。 根據Ia型超新星所在的河外星系的光譜觀測的紅移質料，得到的光譜線的紅移量Z，就可求得Ia型超新星所在河外星系的退行

15、速度。 = C Z 1998年兩個獨立研究團隊，利用幾十顆遙遠星系里的Ia型超新星，求得的退行速度不在與距離成正比即不滿足哈勃定律。Ia型超新星的退行速度比通常的正比速度減慢了，而且距離越遠減慢的速度越多。 2、宇宙加速膨脹的發現 兩個獨立研究團隊使用的高紅移和低紅移Ia型超新星資料，均來自哈勃空間望遠鏡高精度觀測數據。 最初，兩個團隊以為會發現宇宙膨脹正在減速的跡象。這個想法，是基于引力作用的考慮。 天體之間的作用力是引力。宇宙中的星系之間也應該相互吸引。因此，即使由于大爆炸造成宇宙是膨脹的。但在引力作用下，宇宙膨脹應該逐步減速下來。直到有一天宇宙由膨脹轉變為收縮，這才合乎現有的物理規律。

16、但隨著研究的深入，高紅移和低紅移 Ia型超新星資料，給出的宇宙膨脹是在加速而不是減速。 這樣結果完全出乎他們的意料，并懷疑自己所用的資料有問題。最后，經過反復檢查，兩個團隊幾乎同時公布他們自己的觀測與研究的結果。 1998年9月，珀爾馬特領導的團隊發表了，采用42顆高紅移和18顆低紅移Ia型超新星，得出宇宙在加速膨脹的結論。 1998年3月，另一個由施密特領導和以里斯為骨干的獨立研究團隊，采用16顆高紅移和34顆低紅移Ia型超新星資料，同樣得出宇宙加速膨脹的結果并率先肯定了宇宙在加速膨脹。 宇宙加速膨脹的觀測結果，使得天文學家堅信，在宇宙中必有使天體相互排斥的“力”-這就是暗能量 。 天文學家

17、從1990年開始，通過Ia型超新星驗證哈勃公式：即距離與退行速度成正比關系。 哈勃定律建立和哈勃常數精確主要是依據地面和空間所測的造父變星確定的距離。 1998年兩個獨立研究團隊，利用幾十顆遙遠星系里的Ia型超新星，求得的退行速度不在與距離成正比即不滿足哈勃定律。 Ia型超新星的退行速度比通常的正比速度減慢了，而且距離越遠減慢的速度越多。 說明宇宙更深層（更古老的宇宙空間）的退行速度比現代宇宙空間退行速度慢，表明宇宙在加速膨脹。五、宇宙加速膨脹與暗能量 瑞典皇家科學院在頒獎聲明中說： 這三位科學家對超新星的觀測證明，宇宙在加速膨脹、變冷，這一發現“震動了宇宙學的基礎” 。 1、 2011年諾貝

18、爾物理學獎的公布和頒發，將意味著物理學界正式承認并接納“暗能量”為物理學中的一個基本概念，同時也就意味著：物理學界正式承認并接納宇宙之中存在著一種與引力作用方向相反、 至今還沒被人類發現的未知力量這一事實。 2、這一發現不僅改變人們對宇宙的演化史和未來宇宙命運的看法；而且是什么力量在觸使宇宙加速膨脹，對現代宇宙學提出了最深刻地挑戰！ 3、暗能量是什么？ 首先暗能量不同于暗物質。 暗物質雖然用現有的輻射接收手段觀測不到它,但暗物質和亮物質一樣都有引力，而且暗物質是成團分布,按暗物質可以造成時空彎曲。 人類可以觀測到暗物質在空間可能的分布，雖然我們還不能確切知道在空間分布和質量。 暗能量則不同，它不僅用現有的輻射接收手段觀測不到。 而且，理論上暗能量是均勻的、不成團的、在空間是分散均勻的分布。 理論上它沒有引力、卻存在著斥力。它對時空彎曲的效應是一種排斥效應,會使宇宙膨脹加速。 六、宇宙加速膨脹與宇宙的未來人類對宇宙未來命運開始擔憂 ！？七、對宇宙加速膨脹的新思考 宇宙加速膨脹被Ia型超新星觀測資料證實后，引起科學界諸多的新思考。 1、宇宙加速膨脹為暗能量的存在提供了有力的觀測證據。理論上認為暗能量在宇宙空間是均勻分布，它與引力作用相反、起斥力作用。 思考之一：從Ia超新星觀測導出宇宙加速膨脹暗能量存在應是上述