宇宙学前沿讲座.ppt
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1、宇宙学前沿讲座,宇宙微波背景辐射 暗能量 暗物质 弦宇宙学,宇宙微波背景辐射,原初核合成结束后,宇宙气体处于电离状态 光子处于热平衡 热碰撞:主要是与自由电子的汤姆逊散射 宇宙年龄4*105年,宇宙温度:0.3eV 大部分电子和原子核结合为中性原子,电子密度迅速降低光子碰撞率急剧减少,最后完全失去碰撞机会:光子退耦 光子与宇宙其它粒子几乎没有相互作用:背景光子或背景辐射场 此时的光子状态将被保留下来 中性原子形成和光子退耦: 同一过程的两个方面,宇宙微波背景辐射:大爆炸理论主要预言 今天应该能观测到 微波背景观测:大爆炸理论的重要证据 最早的观测:1965年 微波背景的进一步研究和观测: 从中
2、获取更多早期宇宙的信息,现测到天体的光是该天体在很久以前发出的 该天体很久以前的样子 今天观测到的背景光子应来自遥远的地方 退耦前光子状态被最后一次光子电子散射抹掉: 看不到光子退耦以前宇宙的模样,大爆炸理论:宇宙早期高度均匀 最后的散射面是球形,球面上气体等温 今天观测到的光子来自于最后散射面 从不同方向作测量,应测到同样的辐射强度,背景光子在形成前很接近热平衡:任一方向上辐射强度与频率的关系满足黑体辐射关系,COBE的观测结果,理论:背景辐射形成时温度0.3eV(3000K) 现测背景辐射温度:2.75K 这些光子的红移:z=1100 由此可知背景光子从退耦到现在的时间,最后散射面离我们的
3、距离(理论上我们可以观测到的最远距离),光子从最后散射面到地球的过程中有可能与一般物质相互作用(如被星际物质散射) 星系发出的光和背景辐射一样会被观测到 它们对背景辐射的影响非常小 地球相对均匀的宇宙背景有相对运动,如地球的公转及银河系的转动及相对运动 观测者的运动引起多普勒效应:不同方向上测到的背景温度有差别 要得到真正来自最后散射面的背景辐射,要消除这些噪音和效应的影响,早期宇宙有微小的密度起伏 微波背景辐射也有微小的起伏 观测:不同方向背景辐射温度有微小的差别,温度分布,伽莫夫提出大爆炸理论时学术界普遍不信任这个理论 没人想到用实际观测来证实或证伪背景辐射的存在 Dicke,Peeble
4、s(1960年代初普林斯顿大学)打算让年轻人Roll和Wilkinson制作仪器来测量背景辐射的温度 他们无疑会成功地测到背景辐射,背景辐射的发现,他们意外地得知贝尔实验室在射电波段测到了背景辐射的信号 Penzias,Wilson:射电天文研究,调试20英尺角形反射天线的背景噪音 测到的背景噪音温度为6.7K: 2.3K来自大气层 0.9K来自天线内的欧姆损耗 剩下3.5K不知来源,天线中不明噪音是贝尔实验室老问题,实用上不需要弄清其来源 Penzias和Wilson执着地要弄清它 把天线拆开,弄走了在里面做窝的鸽子 一番努力,排除了不明噪音来自天线内部或邻近环境的可能,没有发现起因 只能确
5、定这是一个来自远处的辐射信号,幸运:贝尔实验室离普林斯顿大学很近 两组人接触讨论后分别写了一篇论文,发表在同一期天体物质杂志上 Penzias和Wilson的论文仅有一千字左右:微波背景辐射发现是宇宙学发展中最重大的事件之一 Penzias和Wilson: 1978年度诺贝尔物理学奖,就微波背景辐射问题本身而言, Penzias和Wilson的发现不足以令怀疑者信服 单一频率(4080兆赫)测量无法证实理论预言的背景辐射具有黑体辐射谱特征 此后十年:发现这种各向同性信号在许多波长上都存在,定出的相应温度大体一致 证实背景辐射具有黑体谱:必须在毫米和亚毫米波段进行测量 这样波段上地球大气的影响变
6、得复杂麻烦,背景辐射谱的形状,80年代末前没有共识 COBE (宇宙背景探测者卫星,1989年) 地球大气外测量真正确定背景辐射具有黑体谱,DMR (COBE上另一套仪器):背景辐射在不同方向上的温度差异 不同方向上相隔10。两点温度差的平均 结果: 理论:结构形成的下限是10-6 如果 ,到今天星系还来不及形成,2006年度诺贝尔物理学奖:约翰-马瑟和乔治-斯莫特(美国):发现黑体形态和宇宙微波背景辐射扰动现象,COBE对背景辐射扰动测量的精度很低 更多宇宙早期信息和宇宙现状的了解:必须提高测量的精度 WMAP (2001年,威尔金森微波各向异性探测器,美国国家航空航天局):背景辐射在不同方
7、向温度的测量精度得到很大提高,WMAP,Planck(2007年): 提供最高分辨率的CMB图像,微波背景辐射扰动谱测量:可以推断宇宙许多整体参量,如哈勃常数、物质比例等 宇宙平坦性的精确测定也来自对微波背景辐射测量 WMAP结果十分支持宇宙暗能量的存在,并对其所占的比例也有很强的推断 与其它宇宙观测结合,测得的宇宙模型中各参数的精度可以得到进一步提高,暗能量,1998年,超新星观测结果: 宇宙正在加速膨胀 爱因斯坦方程 宇宙加速膨胀总物质压强p和密度的关系:+3p0,p-1/3,压强:辐射物质p=/3,一般物质p=0 宇宙加速膨胀:现在宇宙介质中存在具有负压物质,并且占很大比例 引力作用使宇
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