天文學導論第11講宇宙學

Amansaidtotheuniverse:“Sir,Iexist!”“However,”repliedtheuniverse,“ThefacthasnotcreatedinmeAsenseofobligation.”StephenCrane(1871—1900)天文學導論第11講Amansaidtotheun本講內容宇宙學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構的形成（暗物質宇宙的演化史結束語本講內容宇宙學原理1。宇宙學原理CosmologicalPrincipal宇宙學原理：無論身處宇宙的何處，“觀測者”所看到的宇宙都是相同的物理規(guī)律的普適性宇宙學原理的兩個推論：宇宙中的物質分布是均勻的（空間尺度足夠大）宇宙是各向同性的宇宙學原理表明宇宙既要均勻又要各向同性數十年的觀測證明宇宙學原理是經得起檢驗的1。宇宙學原理CosmologicalPrincipal1.1宇宙中物質是均勻分布的(Homogeneity)宇宙在大尺度上（大于幾億光年的超團尺度）均勻迄今沒有發(fā)現尺度超過~6億光年的結構（→宇宙是無邊界的）~105galaxies1.1宇宙中物質是均勻分布的(Homogeneity)宇宙宇宙大尺度上的均勻性約100萬個星系在約30度天空范圍內和約20億光年距離以內的分布在這個尺度上，每個方向的星系計數大致相同宇宙大尺度上的均勻性約100萬個星系在約30度天空范圍內和約宇宙小尺度上的非均勻性距離最近（約5億光年距離以內）的15,000個星系的全天圖。在這個尺度上，宇宙中星系的分布根本不均勻而是趨于成團的本超星系團隱帶

英仙-雙魚超團宇宙小尺度上的非均勻性距離最近（約5億光年距離以內）的15,

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“觀測者”向任何方向看都能得到相同的哈勃定律1.2宇宙是各向同性的(Isotropy)從任何方向看均勻，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的重要觀測證據之一2。宇宙在膨脹TheExpandingUniverse清華大學天文學導論11宇宙學課件哈勃圖HubbleDiagram由于造父變星的周光關系的定標問題，哈勃低估了星系距離，由此得出的哈勃常數是現代值的7倍之多！H0=500km/s/MpcH0＝71±4km/s/Mpc哈勃的數據現代的數據哈勃圖HubbleDiagram由于造父變星的周光關系的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（物質與輻射、能量）起源于一點，即宇宙開始于一次大爆炸（thebigbang）!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哈勃時間（Hubbletime）1/H0哈勃定律表明星系之間相互遠離所持續(xù)的時間相同，稱為哈勃時間（與具體的星系及其距離無關）等速膨脹1/H0即為宇宙年齡H0＝71

km/s/Mpc

宇宙年齡~

137億年哈勃時間（Hubbletime）1/H0宇宙學家很尷尬我們的宇宙有一個起點（時間）但這個起點在哪里？宇宙大爆炸發(fā)生在任何一個地方如果大爆炸點不同于宇宙其它地方違背宇宙無中心原理？大爆炸不是簡單地把物質拋向空間！（中心和邊界）?宇宙學家很尷尬我們的宇宙有一個起點（時間）?宇宙即創(chuàng)生？星系并非自身在時空中相互遠離，而是宇宙自身的膨脹使得構成宇宙的星系相互遠離宇宙大爆炸是宇宙自身時空（空間、時間、物質與能量）的創(chuàng)生與膨脹！宇宙即創(chuàng)生？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尺度因子scalefactor（R）宇宙的膨脹以尺度因紅移是宇宙尺度因子改變的結果紅移直接測量輻射發(fā)出時的宇宙尺度因子，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......紅移是宇宙尺度因子改變的結果紅移直接測量輻射發(fā)出時的宇宙尺度勒梅特的原始原子論1927年，比利時教士與天文學家勒梅特（GeorgesLema?tre）指出哈勃所觀測到的宇宙膨脹現象正是愛因斯坦引力場方程（廣義相對論描述宇宙）所預言的因此，過去的宇宙必定比今天的宇宙占有較小的空間尺度。并且，宇宙有一個起始之點，稱為“原始原子”（哈勃定律[宇宙膨脹]、宇宙加速膨脹！）勒梅特的原始原子論αβγ大爆炸宇宙學1940s,伽莫夫（Gamov）和其學生阿爾夫（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大爆炸宇宙學隨著宇宙膨脹和溫度降低，構成物質的原初元素相繼形成……

預言輕元素豐度預言宇宙大爆炸的5-10K殘余背景輻射！！!αβγ大爆炸宇宙學霍伊爾：穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型1948年，弗雷德·霍伊爾（1915-2001）與湯米·戈爾德、赫爾曼·邦迪1960年代，CMB等，更新1949年，BBC，“TheBigBang大爆炸”，嘲笑大爆炸模型。“奇點”！？元素合成理論：著名B2FH理論1983年諾貝爾物理學獎授予福勒許多研究成果不符合正統的學術觀點霍伊爾：穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型1948年，弗雷德·霍伊爾（1915-4.

宇宙微波背景輻射

TheCosmicMicrowaveBackground(CMB)1948年,Alpher,Bethe和Gamov預言5-10K的宇宙大爆炸的殘余背景輻射1964年,Dicke,Peebles,Roll和Wilkinson計算得到背景輻射為溫度10K的黑體輻射。準備去尋找.....沒找到4.宇宙微波背景輻射

TheCosmicMicrowCMB的發(fā)現1965年,貝爾實驗室的彭齊亞斯Penzias和威爾遜Wilson在7.35厘米波長發(fā)現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60年代四大天文發(fā)現之一，大爆炸觀測證據This"sugarscoop"antenna,originallybuilttocommunicatewithEarth-orbitingsatellites,wasusedindiscoveringthe3KCMB.RobertWilson(left)andArnoPenzias,whousedtheantennatomakethediscovery1979NobelPrizeinphysicsCMB的發(fā)現1965年,貝爾實驗室的彭齊亞斯PenziaCMB的觀測特征1989年，宇宙背景探測儀（CosmicBackgroundExplorer[COBE]）

衛(wèi)星對0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景輻射進行觀測，結果發(fā)現CMB是2.73K黑體輻射譜；CMB是高度各向同性的CMB的觀測特征1989年，宇宙背景探測儀（CosmicB宇宙微波背景輻射譜：完美的T=2.73K黑體譜2006年諾貝爾獎點1979年諾貝爾獎點宇宙微波背景輻射譜：完美的T=2.73K黑體譜2006年諾CMB可測量地球相對宇宙自身的運動由地球的運動引起的宇宙背景輻射溫度的漲落，稱為CMB的偶極不對稱性地球相對于CMB以~368km/s的速度沿巨爵座（Crater）方向運動CMB輻射的溫度變化（藍色：2.724K，紅色：2.732K.）地球運動的朝向與背向方向的溫度分別變化10-3

CMB可測量地球相對宇宙自身的運動由地球的運動引起的宇宙背景微波背景輻射的各項異性漲落(COBE)扣除微波背景輻射的偶極不對稱和銀河系塵埃輻射的影響后，微波背景輻射仍表現出大小為十萬分之幾的溫度變化這種細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致了星系的形成

微波背景輻射的各項異性漲落(COBE)扣除微波背景輻射的偶極TheNobelPrizeinPhysics2006JohnC.Mather1/2oftheprizeNASAGoddardSpaceFlightCenter

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

Berkeley,CA,USAb.1945"fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation““發(fā)現了宇宙微波背景輻射的黑體譜形式和各項異性“TheNobelPrizeinPhysics200Boomerang(飛鏢)的觀測結果COBE不能測量角尺度小于7度的CMB的漲落1999年1月，南極，飛鏢氣球飛鏢數據顯示了大約1度尺度上CMB

更強的漲落：大約萬分之一的溫度差異Boomerang(飛鏢)的觀測結果COBE不能測量角尺度小TheWilkinsonMicrowaveAnisotropy

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

五個波段：3.2--13

mm測量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天圖TheWilkinsonMicrowaveAnisotCOBE和WMAP的比較COBE和WMAP的比較宇宙年齡：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38萬年宇宙內含：4%重子,23%暗物質,73%暗能量！H0=71km/sec/Mpc(誤差~5%)宇宙暴脹的新證據

（偏振信號）宇宙將永遠膨脹下去WMAP結果宇宙年齡：137億年，誤差~1%WMAP結果Planck普朗克Planck普朗克Planck的宇宙學參數H0：

71

67.3km/sec/Mpc宇宙年齡：137

138.1

億年Planck的宇宙學參數H0：75。宇宙的密度與形狀宇宙會永遠膨脹下去嗎？宇宙的命運如何，取決于其中所含“物質”的多少宇宙的引力（質量）同樣使其膨脹減速如果有足夠的質量，其引力大得使膨脹減速、停止，最后不可避免坍縮，直至災難性的大擠壓如果沒有足夠的質量，宇宙膨脹可能減速，但不會停下來5。宇宙的密度與形狀宇宙的臨界密度criticalmassdensity一個天體表面的逃逸速度由其質量和半徑（即平均密度）決定宇宙的膨脹速度同樣由其質量和大小即平均密度ρ決定宇宙密度存在一個臨界值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，宇宙將永遠膨脹下去ρ

<ρc，宇宙也將永遠膨脹下去宇宙的臨界密度criticalmassdensity一宇宙物質密度參數物質密度參數ΩM決定由引力（物質）所控制的宇宙的命運，定義為≈0.04（0.049）

（可見物質）≈0.27（0.317=0.049+0.268）（可見物質+暗物質）宇宙物質密度參數物質密度參數ΩM決定由引力（物質）所控制物質密度（ΩM~0.27

[0.317]）不足以閉合宇宙!物質密度（ΩM~0.27[0.317]）不足以閉合宇宇宙膨脹在加速！由于引力，宇宙膨脹應減速，那么宇宙早期的膨脹速度比目前要快得多1998年，HST以及地面大型望遠鏡（Keck）對高紅移的標準燭光（Ia型超新星）的觀測表明宇宙的膨脹在加速測得的亮度暗于由其星系紅移所預言的亮度，即亮度所揭示的距離大于由星系紅移所揭示的距離宇宙膨脹在加速！由于引力，宇宙膨脹應減速，那么宇宙早期的膨脹超新星觀測支持宇宙膨脹在加速加速膨脹減速膨脹哈勃等速膨脹超新星觀測支持宇宙膨脹在加速加速膨脹減速膨脹哈勃等速膨脹2011年諾貝爾物理學獎“通過觀測遙遠的超新星發(fā)現宇宙正在加速膨脹”索爾·珀爾馬特SaulPerlmutter布賴恩·施密特BrianP.Schmidt亞當·里斯AdamG.Riess2011年諾貝爾物理學獎“通過觀測遙遠的超新星發(fā)現宇宙正在加愛因斯坦的“偉大錯誤”1917年，愛因斯坦將廣義相對論引力場方程應用于宇宙的時空結構，即愛因斯坦場方程愛因斯坦場方程表明包含物質的宇宙不可能恒定，表明宇宙必定會膨脹或者收縮但在哈勃發(fā)現宇宙膨脹（1929）的10多年前，愛因斯坦認為宇宙應該是永恒的、穩(wěn)定的為了由廣義相對論得到一個穩(wěn)恒態(tài)宇宙，愛因斯坦在其方程中人為地加入一個起長程斥力作用的“宇宙學常數”Λ，用來抵消引力選擇合適的Λ就可以得到穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型愛因斯坦的“偉大錯誤”1917年，愛因斯坦將廣義相對論引力場愛因斯坦到威爾遜山會見哈勃后說杜撰宇宙學常數是他科學生涯中所犯的“最大錯誤”愛因斯坦到威爾遜山會見哈勃后說杜撰宇宙學常數是他科學生暗能量DarkEnergy造成宇宙膨脹加速，必定有某種超過引力的長程斥力（反引力），這正是宇宙學常數當初被引進的作用天文學家稱由宇宙學常數引起的能量為暗能量，相應地定義宇宙暗能量密度參數ΩΛ暗能量均勻分布，不會聚集成團，其密度約為8×10-29gcm-3，只在巨大時空尺度上起作用暗能量與真空能相關，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，暗能量越來越強大，引力越來越弱，使得膨脹轉為加速暗能量DarkEnergy造成宇宙膨脹加速，必定有某種愛因斯坦錯上加錯?愛因斯坦引入宇宙學常數是為了抵消宇宙由于引力而引起的膨脹或收縮靜態(tài)不變宇宙當前的宇宙學常數不是用來平衡引力，而是用來解釋實際上觀測到的宇宙的加速膨脹宇宙學常數引起的加速>引力引起的減速兩個宇宙學常數不可能等價！愛因斯坦錯誤地在場方程中引入宇宙學常數，并選擇了不正確值。但是關于宇宙學常數的思想今天看起來還是對的，只不過“太超前了”！宇宙學常數被賦予了新的意義愛因斯坦錯上加錯?愛因斯坦引入宇宙學常數是為了抵消宇宙由于引ΛΛ清華大學天文學導論11宇宙學課件測量暗能量與物質密度綜合高紅移超新星與宇宙微波背景輻射的觀測可以估計暗能量的大小Theareaofoverlap(green)indicatespossiblemodelsfortheuniversethatareconsistentwithbothkindsofmeasurements測量暗能量與物質密度綜合高紅移超新星與宇宙微波背景輻射的觀測宇宙的年齡H0=71km/s/Mpc哈勃時間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宇宙的年齡H0=71km/s/Mpc哈勃時間1/H0最年老恒星對宇宙年齡的限制球狀星團是宇宙中最老的恒星系統。宇宙的年齡>球狀星團中恒星的年齡主序星在H-R圖上的轉折點球狀星團的年齡。現代最好的估計為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)應在約1/10宇宙年齡前形成球狀星團M3最年老恒星對宇宙年齡的限制球狀星團是宇宙中最老的恒星系統。宇宇宙的形狀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,負曲率,開放宇宙,無界我們的宇宙幾乎是平直的！Ω0=ΩM+ΩΛ≈1.02宇宙的形狀Ω0>1,球面,正曲率，閉合宇宙,有限無界觀測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”CMB觀測支持宇宙是平直的“真實”CMB6。暴脹宇宙TheCosmicInflation大爆炸宇宙學模型不能解釋的三個疑難問題（1）平直疑難問題flatnessproblem：目前宇宙密度參數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，Ω0必須精確為1（相差不大于十萬分之一），......減速膨脹放大時空彎曲為什么早期宇宙會是精確平直的？6。暴脹宇宙TheCosmicInflation（2）視界疑難問題horizonproblem：微波背景輻射是高度各向同性的→整個宇宙應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，沒有因果關系的區(qū)域如何進行信息交換？光子在今天宇宙視界上相對兩點間的運行時間超過宇宙年齡。為什么A和B會相同?（2）視界疑難問題horizonproblem：微波背景（3）磁單極（子）疑難粒子物理大統一理論：磁單極子宇宙大爆炸的極高溫：產生很多磁單極子現在找不到？（3）磁單極（子）疑難粒子物理大統一理論：磁單極子極早期宇宙度過了一個暴脹期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，宇宙經歷暴脹，尺度突然指數增大~1030倍

暴脹結束后，宇宙膨脹恢復到原來的速度極早期宇宙度過了一個暴脹期1980s,AlanGuth（對平直問題的解釋即使宇宙早期位形是高度彎曲的，經過暴脹會變?yōu)槠街睂ζ街眴栴}的解釋即使宇宙早期位形是高度彎曲的，經過暴脹會變?yōu)閷σ暯鐔栴}的解釋在暴脹前，宇宙的大小遠小于視界大小，因而具有相同的溫度暴脹后的宇宙依然具有相同的溫度對視界問題的解釋在暴脹前，宇宙的大小遠小于視界大小，因而具有對磁單極疑難的解釋暴脹中，包括磁單極在內的各種粒子都被稀釋了暴脹后，宇宙溫度不再升到極高，就不再產生磁單極了對磁單極疑難的解釋暴脹余波暴脹余波BICEP2探測原初引力波BICEP2探測原初引力波BICEP2探測原初引力波：B-模偏振BICEP2探測原初引力波：B-模偏振7。暗物質與宇宙大尺度結構的形成（小尺度）可見物質密度的初始漲落是目前宇宙結構（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，可見物質密度的初始漲落無法增長因為受到輻射與可見物質耦合的阻止所以，可見物質密度的初始漲落只能在宇宙中性化（復合）后才開始（靠引力）增長微波背景輻射漲落~可見物質密度初始漲落但在宇宙年齡內不能形成觀測到的宇宙結構可見物質靠自身無法形成宇宙結構！7。暗物質與宇宙大尺度結構的形成（小尺度）可見物質密度的初始暗物質的重要作用暗物質是宇宙物質的主要成分，暗物質密度漲落在宇宙大尺度結構形成中起主要作用暗物質只有（弱作用和）引力作用暗物質與輻射沒有耦合暗物質的凝聚可以在輻射與正常物質退耦前發(fā)生。退耦后，暗物質引力加快正常物質漲落的凝聚暗物質密度漲落的（提前）凝聚不會影響微波背景輻射的漲落沒有暗物質的宇宙會是沒有星系，沒有恒星，沒有行星，沒有生命，當然也就沒有天文學家和學生宇宙只是彌漫的氣體和輻射暗物質的重要作用暗物質是宇宙物質的主要成分，暗物質密度漲落在暗物質的成分暗物質的成分:熱暗物質(hotdarkmatter,HDM)：粒子質量很小，速度接近光速（如中微子）→宇宙大尺度結構小結構（自上而下）冷暗物質(colddarkmatter,CDM)：粒子質量較大、速度較慢（WIMPs）→宇宙小尺度結構大結構（自下而上）暗物質很可能同時包括熱暗物質和冷暗物質，目前結論是冷暗物質主導標準ΛCDM宇宙學模型（溫暗物質warmdarkmatter？）暗物質的成分暗物質的成分:暗物質與星系形成宇宙開始包含均勻分布的暗物質和正常物質大爆炸后數千年暗物質開始成團暗物質確定宇宙中物質的總體分布和大尺度結構正常物質在暗物質引力作用下向高密度區(qū)域聚集，形成星系和星系團暗物質與星系形成宇宙開始包含均勻分布的暗物質和正常物質宇宙結構形成的數值模擬尺度：5億光年微小的初始密度漲落（CMB的漲落）隨宇宙膨脹，漲落成長為今天所見的宇宙結構計算中如果不加入足夠的暗物質,不會產生今天所看到的宇宙結構宇宙結構形成的數值模擬尺度：5億光年20%HDM,80%CDM,Ω0=1暗藍(平均密度)→綠→黃→紅→白(100平均密度)100Mpc1.5Mpc暗物質暈20%HDM,80%CDM,Ω0=1暗藍(平均密度8。宇宙的演化史8。宇宙的演化史物質相互作用的四種力強度作用范圍(m)強（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∞物質相互作用的四種力物質與輻射輻射主導宇宙物質主導宇宙在最大的尺度上，宇宙是物質和輻射的均勻混合體宇宙中的物質包括可見物質與暗物質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)→目前的宇宙是物質主導的物質與輻射輻射主導宇宙物質主導宇宙物質與輻射密度的演化宇宙膨脹導致物質與輻射密度隨時間減小同時輻射還由于宇宙膨脹發(fā)生紅移

因此輻射密度比物質密度隨時間減小得更快在宇宙早期是輻射主導的

輻射主導與物質主導時期的分界約在宇宙年齡的幾千年左右物質與輻射密度的演化宇宙膨脹導致物質與輻射密度隨時間減小早期宇宙的物質創(chuàng)生在極高溫度下，高能光子的相互碰撞會產生正負粒子對起點溫度：質子~1013K；電子~6×109K；

正負粒子對湮滅會產生光子正負粒子存在微小的不對稱性（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成了今天的物質世界早期宇宙的物質創(chuàng)生在極高溫度下，高能光子的相互碰撞會產生正7.1

輻射主導Planck時代:未知物理理論（量子引力論)，宇宙大小約為0.01cm。引力、強相互作用力、弱相互作用力和電磁力統一為一種力（TOE）大統一理論時代：當t=10-43s,T=1032K,引力與其它力分離。強相互作用力、弱相互作用力和電磁力統一(GUT)t~0－10-43

sΡ

~

∞－1096gcm-3T~

∞－1032

Kt~10-43－10-35sρ~1096

－1080gcm-3T~1032－1028K7.1輻射主導Planck時代:未知物理理論（量子引力論重子時代:強力與弱電分離。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，重子形成過程結束輕子時代:

輕子處于熱平衡狀態(tài)。當t=102s,T<109K,正負電子對形成過程結束t~10-35－10-4

sρ~1080－1013

gcm-3T~1028

－1012

Kt~10-4－102

sρ~1013－101

gcm-3T~1012－109

K重子時代:強力與弱電分離。重子和輕子處于熱平衡狀態(tài)。t四種力的分離四種力的分離6.2核時代Stellarnucleosynthesis:恒星演化理論可以較好地解釋宇宙中重元素的豐度（恒星內部和爆發(fā)的核合成）但輕元素豐度的理論與觀測值不符，特別是氦元素豐度比恒星演化理論預計高25%

。這部分氦元素豐度被認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，宇宙大爆炸理論預言了這些元素的豐度，與觀測值一致6.2核時代Stellarnucleosynthesis當t=102s,T=109K,宇宙中的可見物質包括電子、質子和中子，其中質子與中子數目比為7:1隨著宇宙冷卻，質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當t=102s,T=109K,宇宙中的可見物大爆炸核合成(He)質子與中子結合形成氘核：1H+neutron

2H+E。但氘核一旦形成，就被高能光子瓦解，這個階段稱為氘瓶頸當t=2min,T=9×108K，氘核可以穩(wěn)定地形成，并通過核反應迅速生成氦原子核Formationof4He,comparewithppchainandCNOcycle大爆炸核合成(He)質子與中子結合形成氘核：1H+n大爆炸宇宙學預言氦豐度核反應的結果是，在幾分鐘內，幾乎所有的中子被消耗光，宇宙中的可見物質只有質子、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生成更重的元素當

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質子與中子數目之比為7:1→質子與氦核的數目比為12:1；→質子與氦核總質量之比為3:1→氦(質量)豐度為25%大爆炸宇宙學預言氦豐度核反應的結果是，在幾分鐘內，幾乎所有的大爆炸核合成的輕元素大爆炸核合成的輕元素觀測符合預言：限制重子密度恒星內部核合成產生極少量的氘，因此觀測到的宇宙中的氘主要來自原初核合成宇宙密度越高，粒子與氘的反應越多，氘豐度越低目前觀測的氘與氫的豐度比為10-5-10-4（與理論預言一致），要求重子物質的密度為臨界密度的4%ΩM≈0.27→暗物質不可能主要由重子物質構成大爆炸核合成的元素豐度與觀測比較觀測結果模型重子密度觀測符合預言：限制重子密度恒星內部核合成產生極少量的氘，因此6.3物質主導原子時代:物質開始在宇宙中占主導地位高溫使得氫和氦處于電離狀態(tài)，大量的自由電子導致光子的自由程極短（耦合、不透明）當溫度降至約幾千K，電子與原子核結合形成原子當T≈4500K，宇宙主要由原子、光子和暗物質構成t~103－106

yrρ~10-16–10-21

gcm-3T~6×104–103

K6.3物質主導原子時代:t~103－1復合、退耦與CMB當t~38萬年,T~3000K（紅移z~103),自由電子與原子核結合形成原子(復合或中性化），使得光子可以自由地運動，稱為輻射與物質（重子）退耦，宇宙變得透明今天所觀測到的微波背景輻射就是輻射與物質脫耦最后時期的宇宙的殘余輻射預言符合觀測！宇宙大爆炸余輝復合、退耦與CMB當t~38萬年,T~3000K（紅移星系時代:星系與大尺度結構形成宇宙在宏觀上開始表現出不均勻性類星體和第一代大質量恒星開始出現（~幾億歲）t~106－109

yrρ~10-21–3×10-28

gcm-3T~103–10K星系時代:t~106－109yr21cm輻射探測宇宙“黑暗時期”21cm輻射探測宇宙“黑暗時期”宇宙的第一縷星光星系團第一代大質量恒星圖像宇宙的第一縷星光星系團第一代大質量恒星圖像恒星時代:恒星持續(xù)形成行星和生命開始出現（地球）智能生命出現t~109－>1010

yr

ρ

~3×10-28–10-29

gcm-3T~10–3K恒星時代:t~109－>1010yr清華大學天文學導論11宇宙學課件9。結束語1：宇宙學的末日加速膨脹的宇宙會磨滅它起源的證據，未來的宇宙學家注定無法正確了解大爆炸的真相！9。結束語1：宇宙學的末日加速膨脹的宇宙會磨滅它起源的證據，加速膨脹正在破壞大爆炸的觀測證據遠星系退行遠星系超出視野臨近星系并合宇宙微波背景輻射稀釋得不可探測輕元素（H,He）相對豐度N代恒星污染原初元素豐度加速膨脹正在破壞大爆炸的觀測證據遠星系退行陷入黑暗仙女星系充滿天空太陽成為紅巨星地球荒蕪陷入黑暗仙女星系充滿天空陷入黑暗1千億年后1百萬億年后陷入黑暗1千億年后1百萬億年后結束語2：一個宇宙夠嗎？結束語2：一個宇宙夠嗎？首次發(fā)現堅實證據證明多元宇宙存在!??首次發(fā)現堅實證據證明多元宇宙存在!??結束語3：目前是研究宇宙的黃金時期！暗物質與暗能量的本質是什么？修正引力理論（MOND）PK暗物質和暗能量？宇宙的起源、演化、與未來？暴脹理論是否正確？我們是孤獨的嗎？一個宇宙？多個宇宙？結束語3：目前是研究宇宙的黃金時期！新實體PK新理論現象新實體新理論天王星軌道海王星（貝塞爾的比引力）水星軌道（祝融星被排除）廣義相對論Β衰變中微子（違背角動量被排除）星系轉動曲線暗物質？修正牛頓動力學？宇宙加速膨脹暗能量？修正廣義相對論？新實體PK新理論現象新實體新理論天王星軌道海王星（貝塞爾天文學導論第11講宇宙學

Amansaidtotheuniverse:“Sir,Iexist!”“However,”repliedtheuniverse,“ThefacthasnotcreatedinmeAsenseofobligation.”StephenCrane(1871—1900)天文學導論第11講Amansaidtotheun本講內容宇宙學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構的形成（暗物質宇宙的演化史結束語本講內容宇宙學原理1。宇宙學原理CosmologicalPrincipal宇宙學原理：無論身處宇宙的何處，“觀測者”所看到的宇宙都是相同的物理規(guī)律的普適性宇宙學原理的兩個推論：宇宙中的物質分布是均勻的（空間尺度足夠大）宇宙是各向同性的宇宙學原理表明宇宙既要均勻又要各向同性數十年的觀測證明宇宙學原理是經得起檢驗的1。宇宙學原理CosmologicalPrincipal1.1宇宙中物質是均勻分布的(Homogeneity)宇宙在大尺度上（大于幾億光年的超團尺度）均勻迄今沒有發(fā)現尺度超過~6億光年的結構（→宇宙是無邊界的）~105galaxies1.1宇宙中物質是均勻分布的(Homogeneity)宇宙宇宙大尺度上的均勻性約100萬個星系在約30度天空范圍內和約20億光年距離以內的分布在這個尺度上，每個方向的星系計數大致相同宇宙大尺度上的均勻性約100萬個星系在約30度天空范圍內和約宇宙小尺度上的非均勻性距離最近（約5億光年距離以內）的15,000個星系的全天圖。在這個尺度上，宇宙中星系的分布根本不均勻而是趨于成團的本超星系團隱帶

英仙-雙魚超團宇宙小尺度上的非均勻性距離最近（約5億光年距離以內）的15,

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“觀測者”向任何方向看都能得到相同的哈勃定律1.2宇宙是各向同性的(Isotropy)從任何方向看均勻，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的重要觀測證據之一2。宇宙在膨脹TheExpandingUniverse清華大學天文學導論11宇宙學課件哈勃圖HubbleDiagram由于造父變星的周光關系的定標問題，哈勃低估了星系距離，由此得出的哈勃常數是現代值的7倍之多！H0=500km/s/MpcH0＝71±4km/s/Mpc哈勃的數據現代的數據哈勃圖HubbleDiagram由于造父變星的周光關系的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（物質與輻射、能量）起源于一點，即宇宙開始于一次大爆炸（thebigbang）!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哈勃時間（Hubbletime）1/H0哈勃定律表明星系之間相互遠離所持續(xù)的時間相同，稱為哈勃時間（與具體的星系及其距離無關）等速膨脹1/H0即為宇宙年齡H0＝71

km/s/Mpc

宇宙年齡~

137億年哈勃時間（Hubbletime）1/H0宇宙學家很尷尬我們的宇宙有一個起點（時間）但這個起點在哪里？宇宙大爆炸發(fā)生在任何一個地方如果大爆炸點不同于宇宙其它地方違背宇宙無中心原理？大爆炸不是簡單地把物質拋向空間！（中心和邊界）?宇宙學家很尷尬我們的宇宙有一個起點（時間）?宇宙即創(chuàng)生？星系并非自身在時空中相互遠離，而是宇宙自身的膨脹使得構成宇宙的星系相互遠離宇宙大爆炸是宇宙自身時空（空間、時間、物質與能量）的創(chuàng)生與膨脹！宇宙即創(chuàng)生？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尺度因子scalefactor（R）宇宙的膨脹以尺度因紅移是宇宙尺度因子改變的結果紅移直接測量輻射發(fā)出時的宇宙尺度因子，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......紅移是宇宙尺度因子改變的結果紅移直接測量輻射發(fā)出時的宇宙尺度勒梅特的原始原子論1927年，比利時教士與天文學家勒梅特（GeorgesLema?tre）指出哈勃所觀測到的宇宙膨脹現象正是愛因斯坦引力場方程（廣義相對論描述宇宙）所預言的因此，過去的宇宙必定比今天的宇宙占有較小的空間尺度。并且，宇宙有一個起始之點，稱為“原始原子”（哈勃定律[宇宙膨脹]、宇宙加速膨脹！）勒梅特的原始原子論αβγ大爆炸宇宙學1940s,伽莫夫（Gamov）和其學生阿爾夫（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大爆炸宇宙學隨著宇宙膨脹和溫度降低，構成物質的原初元素相繼形成……

預言輕元素豐度預言宇宙大爆炸的5-10K殘余背景輻射！！!αβγ大爆炸宇宙學霍伊爾：穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型1948年，弗雷德·霍伊爾（1915-2001）與湯米·戈爾德、赫爾曼·邦迪1960年代，CMB等，更新1949年，BBC，“TheBigBang大爆炸”，嘲笑大爆炸模型。“奇點”！？元素合成理論：著名B2FH理論1983年諾貝爾物理學獎授予福勒許多研究成果不符合正統的學術觀點霍伊爾：穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型1948年，弗雷德·霍伊爾（1915-4.

宇宙微波背景輻射

TheCosmicMicrowaveBackground(CMB)1948年,Alpher,Bethe和Gamov預言5-10K的宇宙大爆炸的殘余背景輻射1964年,Dicke,Peebles,Roll和Wilkinson計算得到背景輻射為溫度10K的黑體輻射。準備去尋找.....沒找到4.宇宙微波背景輻射

TheCosmicMicrowCMB的發(fā)現1965年,貝爾實驗室的彭齊亞斯Penzias和威爾遜Wilson在7.35厘米波長發(fā)現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60年代四大天文發(fā)現之一，大爆炸觀測證據This"sugarscoop"antenna,originallybuilttocommunicatewithEarth-orbitingsatellites,wasusedindiscoveringthe3KCMB.RobertWilson(left)andArnoPenzias,whousedtheantennatomakethediscovery1979NobelPrizeinphysicsCMB的發(fā)現1965年,貝爾實驗室的彭齊亞斯PenziaCMB的觀測特征1989年，宇宙背景探測儀（CosmicBackgroundExplorer[COBE]）

衛(wèi)星對0.5毫米-10厘米波段的宇宙背景輻射進行觀測，結果發(fā)現CMB是2.73K黑體輻射譜；CMB是高度各向同性的CMB的觀測特征1989年，宇宙背景探測儀（CosmicB宇宙微波背景輻射譜：完美的T=2.73K黑體譜2006年諾貝爾獎點1979年諾貝爾獎點宇宙微波背景輻射譜：完美的T=2.73K黑體譜2006年諾CMB可測量地球相對宇宙自身的運動由地球的運動引起的宇宙背景輻射溫度的漲落，稱為CMB的偶極不對稱性地球相對于CMB以~368km/s的速度沿巨爵座（Crater）方向運動CMB輻射的溫度變化（藍色：2.724K，紅色：2.732K.）地球運動的朝向與背向方向的溫度分別變化10-3

CMB可測量地球相對宇宙自身的運動由地球的運動引起的宇宙背景微波背景輻射的各項異性漲落(COBE)扣除微波背景輻射的偶極不對稱和銀河系塵埃輻射的影響后，微波背景輻射仍表現出大小為十萬分之幾的溫度變化這種細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致了星系的形成

微波背景輻射的各項異性漲落(COBE)扣除微波背景輻射的偶極TheNobelPrizeinPhysics2006JohnC.Mather1/2oftheprizeNASAGoddardSpaceFlightCenter

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

Berkeley,CA,USAb.1945"fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation““發(fā)現了宇宙微波背景輻射的黑體譜形式和各項異性“TheNobelPrizeinPhysics200Boomerang(飛鏢)的觀測結果COBE不能測量角尺度小于7度的CMB的漲落1999年1月，南極，飛鏢氣球飛鏢數據顯示了大約1度尺度上CMB

更強的漲落：大約萬分之一的溫度差異Boomerang(飛鏢)的觀測結果COBE不能測量角尺度小TheWilkinsonMicrowaveAnisotropy

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

五個波段：3.2--13

mm測量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天圖TheWilkinsonMicrowaveAnisotCOBE和WMAP的比較COBE和WMAP的比較宇宙年齡：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38萬年宇宙內含：4%重子,23%暗物質,73%暗能量！H0=71km/sec/Mpc(誤差~5%)宇宙暴脹的新證據

（偏振信號）宇宙將永遠膨脹下去WMAP結果宇宙年齡：137億年，誤差~1%WMAP結果Planck普朗克Planck普朗克Planck的宇宙學參數H0：

71

67.3km/sec/Mpc宇宙年齡：137

138.1

億年Planck的宇宙學參數H0：75。宇宙的密度與形狀宇宙會永遠膨脹下去嗎？宇宙的命運如何，取決于其中所含“物質”的多少宇宙的引力（質量）同樣使其膨脹減速如果有足夠的質量，其引力大得使膨脹減速、停止，最后不可避免坍縮，直至災難性的大擠壓如果沒有足夠的質量，宇宙膨脹可能減速，但不會停下來5。宇宙的密度與形狀宇宙的臨界密度criticalmassdensity一個天體表面的逃逸速度由其質量和半徑（即平均密度）決定宇宙的膨脹速度同樣由其質量和大小即平均密度ρ決定宇宙密度存在一個臨界值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，宇宙將永遠膨脹下去ρ

<ρc，宇宙也將永遠膨脹下去宇宙的臨界密度criticalmassdensity一宇宙物質密度參數物質密度參數ΩM決定由引力（物質）所控制的宇宙的命運，定義為≈0.04（0.049）

（可見物質）≈0.27（0.317=0.049+0.268）（可見物質+暗物質）宇宙物質密度參數物質密度參數ΩM決定由引力（物質）所控制物質密度（ΩM~0.27

[0.317]）不足以閉合宇宙!物質密度（ΩM~0.27[0.317]）不足以閉合宇宇宙膨脹在加速！由于引力，宇宙膨脹應減速，那么宇宙早期的膨脹速度比目前要快得多1998年，HST以及地面大型望遠鏡（Keck）對高紅移的標準燭光（Ia型超新星）的觀測表明宇宙的膨脹在加速測得的亮度暗于由其星系紅移所預言的亮度，即亮度所揭示的距離大于由星系紅移所揭示的距離宇宙膨脹在加速！由于引力，宇宙膨脹應減速，那么宇宙早期的膨脹超新星觀測支持宇宙膨脹在加速加速膨脹減速膨脹哈勃等速膨脹超新星觀測支持宇宙膨脹在加速加速膨脹減速膨脹哈勃等速膨脹2011年諾貝爾物理學獎“通過觀測遙遠的超新星發(fā)現宇宙正在加速膨脹”索爾·珀爾馬特SaulPerlmutter布賴恩·施密特BrianP.Schmidt亞當·里斯AdamG.Riess2011年諾貝爾物理學獎“通過觀測遙遠的超新星發(fā)現宇宙正在加愛因斯坦的“偉大錯誤”1917年，愛因斯坦將廣義相對論引力場方程應用于宇宙的時空結構，即愛因斯坦場方程愛因斯坦場方程表明包含物質的宇宙不可能恒定，表明宇宙必定會膨脹或者收縮但在哈勃發(fā)現宇宙膨脹（1929）的10多年前，愛因斯坦認為宇宙應該是永恒的、穩(wěn)定的為了由廣義相對論得到一個穩(wěn)恒態(tài)宇宙，愛因斯坦在其方程中人為地加入一個起長程斥力作用的“宇宙學常數”Λ，用來抵消引力選擇合適的Λ就可以得到穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型愛因斯坦的“偉大錯誤”1917年，愛因斯坦將廣義相對論引力場愛因斯坦到威爾遜山會見哈勃后說杜撰宇宙學常數是他科學生涯中所犯的“最大錯誤”愛因斯坦到威爾遜山會見哈勃后說杜撰宇宙學常數是他科學生暗能量DarkEnergy造成宇宙膨脹加速，必定有某種超過引力的長程斥力（反引力），這正是宇宙學常數當初被引進的作用天文學家稱由宇宙學常數引起的能量為暗能量，相應地定義宇宙暗能量密度參數ΩΛ暗能量均勻分布，不會聚集成團，其密度約為8×10-29gcm-3，只在巨大時空尺度上起作用暗能量與真空能相關，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，暗能量越來越強大，引力越來越弱，使得膨脹轉為加速暗能量DarkEnergy造成宇宙膨脹加速，必定有某種愛因斯坦錯上加錯?愛因斯坦引入宇宙學常數是為了抵消宇宙由于引力而引起的膨脹或收縮靜態(tài)不變宇宙當前的宇宙學常數不是用來平衡引力，而是用來解釋實際上觀測到的宇宙的加速膨脹宇宙學常數引起的加速>引力引起的減速兩個宇宙學常數不可能等價！愛因斯坦錯誤地在場方程中引入宇宙學常數，并選擇了不正確值。但是關于宇宙學常數的思想今天看起來還是對的，只不過“太超前了”！宇宙學常數被賦予了新的意義愛因斯坦錯上加錯?愛因斯坦引入宇宙學常數是為了抵消宇宙由于引ΛΛ清華大學天文學導論11宇宙學課件測量暗能量與物質密度綜合高紅移超新星與宇宙微波背景輻射的觀測可以估計暗能量的大小Theareaofoverlap(green)indicatespossiblemodelsfortheuniversethatareconsistentwithbothkindsofmeasurements測量暗能量與物質密度綜合高紅移超新星與宇宙微波背景輻射的觀測宇宙的年齡H0=71km/s/Mpc哈勃時間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宇宙的年齡H0=71km/s/Mpc哈勃時間1/H0最年老恒星對宇宙年齡的限制球狀星團是宇宙中最老的恒星系統。宇宙的年齡>球狀星團中恒星的年齡主序星在H-R圖上的轉折點球狀星團的年齡。現代最好的估計為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)應在約1/10宇宙年齡前形成球狀星團M3最年老恒星對宇宙年齡的限制球狀星團是宇宙中最老的恒星系統。宇宇宙的形狀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,負曲率,開放宇宙,無界我們的宇宙幾乎是平直的！Ω0=ΩM+ΩΛ≈1.02宇宙的形狀Ω0>1,球面,正曲率，閉合宇宙,有限無界觀測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”CMB觀測支持宇宙是平直的“真實”CMB6。暴脹宇宙TheCosmicInflation大爆炸宇宙學模型不能解釋的三個疑難問題（1）平直疑難問題flatnessproblem：目前宇宙密度參數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，Ω0必須精確為1（相差不大于十萬分之一），......減速膨脹放大時空彎曲為什么早期宇宙會是精確平直的？6。暴脹宇宙TheCosmicInflation（2）視界疑難問題horizonproblem：微波背景輻射是高度各向同性的→整個宇宙應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，沒有因果關系的區(qū)域如何進行信息交換？光子在今天宇宙視界上相對兩點間的運行時間超過宇宙年齡。為什么A和B會相同?（2）視界疑難問題horizonproblem：微波背景（3）磁單極（子）疑難粒子物理大統一理論：磁單極子宇宙大爆炸的極高溫：產生很多磁單極子現在找不到？（3）磁單極（子）疑難粒子物理大統一理論：磁單極子極早期宇宙度過了一個暴脹期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，宇宙經歷暴脹，尺度突然指數增大~1030倍

暴脹結束后，宇宙膨脹恢復到原來的速度極早期宇宙度過了一個暴脹期1980s,AlanGuth（對平直問題的解釋即使宇宙早期位形是高度彎曲的，經過暴脹會變?yōu)槠街睂ζ街眴栴}的解釋即使宇宙早期位形是高度彎曲的，經過暴脹會變?yōu)閷σ暯鐔栴}的解釋在暴脹前，宇宙的大小遠小于視界大小，因而具有相同的溫度暴脹后的宇宙依然具有相同的溫度對視界問題的解釋在暴脹前，宇宙的大小遠小于視界大小，因而具有對磁單極疑難的解釋暴脹中，包括磁單極在內的各種粒子都被稀釋了暴脹后，宇宙溫度不再升到極高，就不再產生磁單極了對磁單極疑難的解釋暴脹余波暴脹余波BICEP2探測原初引力波BICEP2探測原初引力波BICEP2探測原初引力波：B-模偏振BICEP2探測原初引力波：B-模偏振7。暗物質與宇宙大尺度結構的形成（小尺度）可見物質密度的初始漲落是目前宇宙結構（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，可見物質密度的初始漲落無法增長因為受到輻射與可見物質耦合的阻止所以，可見物質密度的初始漲落只能在宇宙中性化（復合）后才開始（靠引力）增長微波背景輻射漲落~可見物質密度初始漲落但在宇宙年齡內不能形成觀測到的宇宙結構可見物質靠自身無法形成宇宙結構！7。暗物質與宇宙大尺度結構的形成（小尺度）可見物質密度的初始暗物質的重要作用暗物質是宇宙物質的主要成分，暗物質密度漲落在宇宙大尺度結構形成中起主要作用暗物質只有（弱作用和）引力作用暗物質與輻射沒有耦合暗物質的凝聚可以在輻射與正常物質退耦前發(fā)生。退耦后，暗物質引力加快正常物質漲落的凝聚暗物質密度漲落的（提前）凝聚不會影響微波背景輻射的漲落沒有暗物質的宇宙會是沒有星系，沒有恒星，沒有行星，沒有生命，當然也就沒有天文學家和學生宇宙只是彌漫的氣體和輻射暗物質的重要作用暗物質是宇宙物質的主要成分，暗物質密度漲落在暗物質的成分暗物質的成分:熱暗物質(hotdarkmatter,HDM)：粒子質量很小，速度接近光速（如中微子）→宇宙大尺度結構小結構（自上而下）冷暗物質(colddarkmatter,CDM)：粒子質量較大、速度較慢（WIMPs）→宇宙小尺度結構大結構（自下而上）暗物質很可能同時包括熱暗物質和冷暗物質，目前結論是冷暗物質主導標準ΛCDM宇宙學模型（溫暗物質warmdarkmatter？）暗物質的成分暗物質的成分:暗物質與星系形成宇宙開始包含均勻分布的暗物質和正常物質大爆炸后數千年暗物質開始成團暗物質確定宇宙中物質的總體分布和大尺度結構正常物質在暗物質引力作用下向高密度區(qū)域聚集，形成星系和星系團暗物質與星系形成宇宙開始包含均勻分布的暗物質和正常物質宇宙結構形成的數值模擬尺度：5億光年微小的初始密度漲落（CMB的漲落）隨宇宙膨脹，漲落成長為今天所見的宇宙結構計算中如果不加入足夠的暗物質,不會產生今天所看到的宇宙結構宇宙結構形成的數值模擬尺度：5億光年20%HDM,80%CDM,Ω0=1暗藍(平均密度)→綠→黃→紅→白(100平均密度)100Mpc1.5Mpc暗物質暈20%HDM,80%CDM,Ω0=1暗藍(平均密度8。宇宙的演化史8。宇宙的演化史物質相互作用的四種力強度作用范圍(m)強（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∞物質相互作用的四種力物質與輻射輻射主導宇宙物質主導宇宙在最大的尺度上，宇宙是物質和輻射的均勻混合體宇宙中的物質包括可見物質與暗物質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)→目前的宇宙是物質主導的物質與輻射輻射主導宇宙物質主導宇宙物質與輻射密度的演化宇宙膨脹導致物質與輻射密度隨時間減小同時輻射還由于宇宙膨脹發(fā)生紅移

因此輻射密度比物質密度隨時間減小得更快在宇宙早期是輻射主導的

輻射主導與物質主導時期的分界約在宇宙年齡的幾千年左右物質與輻射密度的演化宇宙膨脹導致物質與輻射密度隨時間減小早期宇宙的物質創(chuàng)生在極高溫度下，高能光子的相互碰撞會產生正負粒子對起點溫度：質子~1013K；電子~6×109K；

正負粒子對湮滅會產生光子正負粒子存在微小的不對稱性（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成了今天的物質世界早期宇宙的物質創(chuàng)生在極高溫度下，高能光子的相互碰撞會產生正7.1

輻射主導Planck時代:未知物理理論（量子引力論)，宇宙大小約為0.01cm。引力、強相互作用力、弱相互作用力和電磁力統一為一種力（TOE）大統一理論時代：當t=10-43s,T=1032K,引力與其它力分離。強相互作用力、弱相互作用力和電磁力統一(GUT)t~0－10-43

sΡ

~

∞－1096gcm-3T~

∞－1032

Kt~10-43－10-35sρ~1096

－1080gcm-3T~1032－1028K7.1輻射主導Planck時代:未知物理理論（量子引力論重子時代:強力與弱電分離。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，重子形成過程結束輕子時代:

輕子處于熱平衡狀態(tài)。當t=102s,T<109K,正負電子對形成過程結束t~10-35－10-4

sρ~1080－1013

gcm-3T~