1、引言:宇宙是什么?,第二十章 天体和宇宙,Aristotle: geocentric 亚利士多德地心说地球是球形的, 其他星体围绕其作圆周运动,Ptolemy ( 50 170 A.D.): geocentric 托勒密,托勒密提出了运行轨道的概念, 发明了本轮 均轮模型, 且运用数学计算行星的运动。随着对于行星运动观测资料的增多，本轮 增加到了八十多个。,Copernicus (1473-1543): heliocentric cosmology 哥白尼日心说太阳是行星系统的中心,一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星，有自转也有公转。,历史上重要的科学巨人Kepler Galileo Ne
2、wtonEinstein,我们在宇宙中的位置地球是太阳系九大行星之一,太阳是银河系一颗普通恒星,银河系是本星系团（Local Group）重要成员之一,本星系团处于室女星系团(Virgo Cluster) 外围,我们处于宇宙中极其普通的位置!人类的伟大在于她的智慧。迄今为止， 人类对于浩大勃深的宇宙具有了极其 深入的理解。,宇宙学原理宇宙在大尺度上是均匀及各向同性的，没有任何一个观测者在宇宙中占有特殊的位置（空间）将宇宙学原理扩展到时间维，则为静态宇宙理论：没有一个时间是特殊的,Cosmological Principle: The universe as a whole is isotrop
3、ic and homogeneous, and no observer occupies a preferred position in the universe* perfect cosmological principle: in space and in time- Steady State Theory,膨胀的宇宙宇宙学原理告诉我们宇宙的几何可以表示为（四维时空）R(t): 宇宙尺度因子k: 宇宙曲率,k=0 k=1 k=-1,宇宙学的理论基础为爱因斯坦的广义相对论。宇宙中的物质组成决定了宇宙的几何及随时间的演化。爱因斯坦：静态宇宙-宇宙学常数,宇宙的膨胀Hubble（哈勃）,哈勃发现
4、星系退行速度与其距离成正比H0: 哈勃常数哈勃的估算为:这里,宇宙年龄可以估算为将哈勃得到的数值带入这一年龄小于测量的天体的年龄,Steady State Theory (稳态宇宙）宇宙膨胀，物质不断产生，使得宇宙在任何时间呈现出相同的状态* 需要一个大能源* 很难解释宇宙微波背景辐射,Gamow 热大爆炸理论 （1948）元素合成发生于大爆炸后几分钟之内Dicke and Peebles: 宇宙微波背景辐射的存在重要里程碑：（1）1929 哈勃等：发现宇宙膨胀（2）1965 Penzias & Wilson: 发现微波背景辐射（3）宇宙中氢、氦丰度,宇宙演化热历史,宇宙学现状宇宙学从早期的哲
5、学、宗教探索已经发展成为一门可以被检验的科学。宇宙学感兴趣的空间尺度从极小（10-33cm)到极大（1028cm)，相应的能量范围为( 1019GeV 1meV ).,随着观测技术的发展，对宇宙的科学认识程度远远超出了一般人的想象。（1）宇宙的整体性质物质组成,暗能量： 70%非重子暗物质：26%重子物质： 4 %其中可见物质 0.5%辐射： 0.005%,宇宙在膨胀，且其膨胀速度越来越快，即宇宙今天在加速膨胀！(2) 宇宙中的各种结构，如星系、星系团等是从宇宙早期微小不均匀性通过引力不稳定性发展演化而来。,科学挑战暗能量的本质暗物质的发现星系形成的物理过程冷暗物质的小尺度问题第一代结构形成超
6、大质量黑洞与星系形成的物理。,2006年诺贝尔物理学奖,微波背景辐射和热大爆炸宇宙学 Microwave background Radiation,2006年物理学诺贝尔奖,两位诺贝尔奖获得者： 1.John Mather, Senior astrophysicist at NASAs Goddard Space Flight Center 2. George Smoot, Professor of Physics at University of California, Berkeley 2006年物理学诺贝尔奖是关于：Nobel prize for Big Bang research,J.
7、 Matehr and G.Smoot,J. Mather et al., 1990, Astrophys. J (Letter) 354, 37; G. Smoot et al., 1992, Astrophys. J (Letter) 396, 1,宇宙论：从宏观到精密2006年诺贝尔物理学奖,2006年10月3日，瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予美国宇航局哥达德空间飞行中心的约翰马瑟和加州大学伯克利分校的乔治斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们利用COBE（宇宙微波背景探索者）卫星进行的非常细致的观测，被誉为现代宇宙论发展
8、成一门精密科学的起点。,首次发现宇宙微波背景辐射是在1964年。美国贝尔电话实验室的两位科学家阿罗彭齐亚斯和罗伯特威尔逊为此获得1978年诺贝尔物理学奖。他们起初曾将这种辐射误为是自己的接收机上不相关的噪声(实际上, 宇宙微波背景是每当我们的电视机正常传输中断时接受到的那种“雪花”噪声的一部分)。但是, 早在1940年代，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼就做出了微波背景的理论预言，对后来关于宇宙起源的持续讨论作出了重要贡献。,当时主要有两种宇宙学理论在互相竞争: 或者宇宙在最初的大爆炸中诞生然后继续膨胀, 或者它总是处于在一种稳恒状态。大爆炸图景实际上预言了微波背景辐射的存在, 因此，彭齐亚斯和威尔逊的
9、发现自然让那种理论格外令人可信。,宇宙论基本概念 The main contents,1。大爆炸宇宙学 2。早期宇宙概况 3。几个简单公式 4。光子的退耦 5。光子的背景辐射 6。多极各向异性和星系形成条件 7。宇宙中正反物质的不对称的形成 8。暗物质与暗能量 9。粒子物理，LHC与ILC 10。展望,热大爆炸宇宙学,1。热大爆炸宇宙学 宇宙介质可以看成由星系为“分子”所构成的“气体”，宇宙学原理认为宇宙介质在大尺度下是均匀的。 Hubble膨胀 哈伯发现星系对银河中心的退行速度与距离成正比,Hubble 定理,1+z 是红移，是光的Doppler 效应， v 是天体相对我们地球观测者的速度，
10、Hubble 观测到的公式仅是近似。但这个观测的意义是否定了静止宇宙的理论，指出宇宙在膨胀，从而导致了热大爆炸理论。,宇宙学,H是hubble 常数 牛顿认为成团 爱因斯坦开始认为静止宇宙 宇宙应起源于120150亿年前，能量高度密集的小区域通过热大爆炸形成今天的观测宇宙。,宇宙形成于热大爆炸,2。早期宇宙概况 （1）远古的宇宙中不可能有星系 （2）星系是均匀宇宙气体碎裂的产物微小扰动会发展成局域结团 （3）膨胀的宇宙来自大爆炸 （密度，温度无限？） “Big Bang”! （4）强子，质子，中子从夸克产生，是宇宙演化的产物， E200 MeV (T=1012K) t=10-4 s （5）化学
11、元素也是演化的产物, E=1-10 MeV (T=1010K)3-30 min（6）原子和分子是宇宙演化中产生的, E13.6 eV (T=104 K),几个简单公式,3。几个简单公式 爱因斯坦广义相对论,空间,时间和物质,真空能的关系为宇宙常数,RW度规,几个简单公式,起到斥力的作用，和普通物质的引力正好相反。 在辐射为主的早期宇宙 在物质为主的今天宇宙,Decoupling,4。光子的退耦 原子的复合过程气体中的电子在与质子的热碰撞中会结合成氢原子，同时放出光子，这过程是可逆的。 氢的结合能是13.6 eV, 要把氢电离，光子能量要大于它。 只要高能光子足够多，反过程的发生率大于宇宙膨胀率
12、，电离和复合达到统计平衡。,Decoupling,当温度下降后，(T=1eV), 高能光子处于Planck分布的高频尾巴， 能量超过13.6eV 的光子只有104，但光子数比质子数多9个量级，因而一个氢核仍被105高能光子包围，不会出现中性氢。但温度出现在指数上，温度再下降不多，但氢核周围的高能光子迅速减少，在T1eV下复合过程变得重要。,Planck 分布,Planck 分布中的高能光子数,Temperature,今天的背景光子温度,在复合时的红移,那时宇宙年龄大约为2 X105年,在这段时间内变化非常快,Decoupling of Photon,等离子体气体中光子的退耦光子主要是和自由电子
13、散射每个光子在单位时间内的碰撞次数是在复合开始后自由电子密度的骤然下降使光子碰撞频率下降,光子开始退耦.,光子得完全退耦,退耦的发生使碰撞率与宇宙膨胀率H竞争的结果当复合率Xp=0.1(np/(np+nH) 时/H=15,90%原子已复合,但仍有足够的自由电子以维持光子的热平衡,退耦发生在复合之后当Xp=4X10-3时光子退耦,2.4X105年,从这时起光子成了无碰撞组分,它将在由中性原子组成的气体中飞行,当然它今天应当存在。,黑体辐射,黑体辐射光在黑体中多次散射，成热平衡状态。 黑体辐射的光源是 t=2.4X105年时星系为形成前中性原子气体 由于这个最后散射面是均匀且等温，观测到的背景辐射
14、应高度各向同性。由于光子从有频繁碰撞到失去碰撞的转化很快，从最后散射面放出的光子动量分布是Planck分布。 我们看到的黑体辐射就是宇宙光子背景辐射。,一个故事,那么今天的Teff 大约为2.3-2.7K,发现和证实： Princeton 大学的 Dicke 和 Peebles 认识到背景辐射对热大爆炸宇宙学的重要，准备寻找， Penzias 和 Wilson在调试频率为4080MHz的角形天线，在没有信号时测定了本底，拟合温度为 T()=(4.4+2.3sec)K 发现它是无法排除的来自远处的噪声。 从而得到诺贝尔奖。 但它仅是一个频率上的，由于实验很困难，大气影响很难排除，不能在地球上完成
15、,新的Nobel 奖,这是COBE 测量的最后结果。在星系形成后 的宇宙中，不同部分有了不同温度，宇宙 介质已没有了统一的热平衡。例如太阳的 热辐射谱合黑体辐射谱相差很大。 只有在 早期，宇宙才能是整体达到高度热平衡 的系统。背景辐射谱与黑体辐射谱的高度 一致指出它是来自早期宇宙，支持了热 大爆炸理论。,星体起源,COBE的另一个结果多极各向异性（偶极各向异性主要是由于银河系运动产生的红移改变）预示宇宙介质不能完全均匀。早期宇宙各处温度和密度有微小起伏，它是后来结构形成的种子。正是因为这种小起伏，由引力构成今天的星体。,Nobel奖的工作,然而从1977年起的十年中，分析四极各向异性的强度，受
16、到精度限制得到零的结果。到80年代末，这上限异缩小到,如果测量精度再高一个数量级后仍然得到零结果，那么这样过小的密度起伏奖来不及再今天形成星系，也就没有我们了。 COBE使用仪器DMR在1992年测到了微波背景温度的四极各向异性为,完全支持了热大爆炸宇宙学理论。,宇宙中元素,大爆炸核合成BBN这是一个比较复杂的核反应链 但大爆炸理论预言中子数与质子数之比为 1：7， 这个比例是由于中子与质子的质量差为1.29 MeV，转化停止的冻结温度为0.8 MeV。这结果意味今天He丰度为质子的1/4。测量之为大约0.23-0.25。,正反物质不对称性,7。宇宙中正反物质的不对称性观测宇宙中只有质子，中子
17、和带负电的电子，而不存在它们的反粒子。从热大爆炸理论它们应该存在。 Sakharov 提出三个必须的条件 1 存在破坏重子数（轻子数)守恒的相互作用 2 CP破坏 3 宇宙对热平衡的偏离（至少在演化某一阶段）,AMS计划,但也存在其他可能性，反物质存在于我们广阔宇宙的另一部分，它是和我们居住的部分完全分开的。那么就有可能一些暗物质颗粒会脱离它们的世界而飞到我们这儿来。我们的任务是找到它们。 AMS 计划 Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 由丁肇中领导的庞大的计划在太空中寻找反物质流。,宇宙学的困难,8。暗物质与暗能量 宇宙中可观测的发光物质，或重子物质只占宇宙
18、总能量的5以下，暗物质（冷暗物质）占23，70以上是所谓的暗能量。 暗物质是什么？历史上开始认为是中微子（热暗物质），现在认为最可能是超对称粒子neutralino， 或axion, axionino 等。 如何在地球上的探测器上检验暗物质流？,宇宙学的困难,方法是让暗物质粒子与探测器中质子或电子碰撞，我们测量带电的质子或电子的反冲轨道。测量是非常困难的。 1972年我国云南高山宇宙线观测站看到的一个特别事例。,宇宙学的困难,暗能量更是一个非常难以理解的问题 新的观测结果指出宇宙在加速膨胀！ 那么必须存在相当于斥力的作用，从前面公式可以看出，宇宙常数和真空能都可以起到斥力作用。但这有带来新的问
19、题，(hierarchy problem)。是否应该有人择原理？新的探讨, quintessense, quintessensino, phantom, varying-mass neutrinos 等等,哲学，物理学,图：大蛇图 宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量，非常长的时间，是超出宏观的宇观物理 粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的能量（相对而言），非常短的时间，是微观物理。 但它们却是紧密相关的。因而我们有可能在地球的探测器上对宇宙学进行研究。,粒子物理宇宙学,LHC，ILC 和 RHIC LHC， 14 TeV, 2007年开始运行，寻找Higgs， 超对称粒子， 等新物理的信号
20、 ILC， 12 TeV， ？，精确研究新物理的性质，探索更新的物理世界 RHIC， 寻找夸克胶子等离子体，模拟早期宇宙 (Little bang) 为进一步检验理论，提出新的物理思想奠定实验基础,粒子物理宇宙学,10。 展望 热大爆炸宇宙学取得了巨大成功，得到了天文学观测的支持，今天没有人怀疑这个理论的正确性 还有许多未解决的问题， 宇宙早期的Inflation阶段，暗物质，暗能量，正反物质的不对称等 留给21世纪年轻学者去探索和解决！,20-1宇宙中的天体,天体的距离单位, 1 天文单位(AU) = 太阳到地球的平均距离 1.5 108 公里 （ 1.5亿公里） 1 光年( ly ) 0.
21、95 1013公里 光在 1 年里走过的路程 1 秒差距 ( pc ) 3 1013 公里 1 秒差距 3.26 光年 20万天文单位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),天体距离的测定方法,1)几何方法：在地球公转不同位置处观测同一天体在天球上的坐标,经过计算得出视差，也就得到距离D。D=206,265 a.u./ “（适用于银河系内）,2)光度方法：设天体光度为L，亮度为B，则有 BLD2 B是可观测量，如果能设法求到光度L，则可由上式求得距离D，称为光度距离。,用造父变星做标准烛光（适合近星系）,用Ia型超新星作标准烛光（较远的星系）
22、,一、恒星,由于恒星距离我们十分遥远，在地球上看来，恒星间的相对位置似乎是恒定不变的，因此古人把它们叫做恒星,恒星由炽热气体组成的,能自己发光的球状或类球状天体. 离地球最近的恒星是太阳。其次是处于半人马座的比邻星，它发出的光到达地球需要4.22年。恒星都是气体星球。晴朗无月的夜晚，且无光污染的地区，一般人用肉眼大约可以看到 6000多颗恒星。借助于望远镜，则可以看到几十万乃至几百万颗以上。估计银河系中的恒星大约有一、二千亿颗。恒星并非不动，只是因为离开我们实在太远，不借助于特殊工具和方法，很难发现它们在天上的位置变化。,恒星也有自己的生命史，它们从诞生、成长到衰老，最终走向死亡。它们大小不同
23、，色彩各异，演化的历程也不尽相同。恒星与生命的联系不仅表现在它提供了光和热。实际上构成行星和生命物质的重原子就是在某些恒星生命结束时发生的爆发过程中创造出来的。,距离恒星的亮度相差很大，这里面固然有恒星本身发光强弱的原因，但是离开我们距离的远近也起着显著的作用。测定恒星距离最基本的方法是三角视差法，此法主要用于测量较近的恒星距离，过程如下，先测得地球轨道半长径在恒星处的张角(叫作周年视差)，再经过简单的运算，即可求出恒星的距离。这是测定距离最直接的方法。在十六世纪哥白尼公布了他的日心说以后，许多天文学家试图测定恒星的距离，但都由于它们的数值很小以及当时的观测精度不高而没有成功。直到十九世纪三十
24、年代后半期，才取得成功。然而对大多数恒星说来，这个张角太小，无法测准。所以测定恒星距离常使用一些间接的方法，如分光视差法、星团视差法、统计视差法以及由造父变星的周光关系确定视差，等等。这些间接的方法都是以三角视差法为基础的。,化学组成与在地面实验室进行光谱分析一样，我们对恒星的光谱也可以进行分析，借以确定恒星大气中形成各种谱线的元素的含量，当然情况要比地面上一般光谱分析复杂得多。多年来的实测结果表明，正常恒星大气的化学组成与太阳大气差不多。按质量计算，氢最多,氦次之,其余按含量依次大致是氧、碳、氮、氖、硅、镁、铁、硫等。但也有一部分恒星大气的化学组成与太阳大气不同，例如沃尔夫拉叶星，就有含碳丰
25、富和含氮丰富之分（即有碳序和氮序之分）在金属线星和A型特殊星中，若干金属元素和超铀元素的谱线显得特别强。但是，这能否归结为某些元素含量较多，还是一个问题。 理论分析表明，在演化过程中，恒星内部的化学组成会随着热核反应过程的改变而逐渐改变，重元素的含量会越来越多，然而恒星大气中的化学组成一般却是变化较小的。,物理特性的变化观测发现，有些恒星的光度、光谱和磁场等物理特性都随时间的推移发生周期的、半规则的或无规则的变化。这种恒星叫作变星。变星分为两大类：一类是由于几个天体间的几何位置发生变化或恒星自身的几何形状特殊等原因而造成的几何变星；一类是由于恒星自身内部的物理过程而造成的物理变星。,爆发变星按
26、爆发规模可分为超新星、新星、矮新星、类新星和耀星等几类。超新星的亮度会在很短期间内增大数亿倍，然后在数月到一、二年内变得非常暗弱。目前多数人认为这是恒星演化到晚期的现象。超新星的外部壳层以每秒钟数千乃至上万公里的速度向外膨胀，形成一个逐渐扩大而稀薄的星云；内部则因极度压缩而形成密度非常大的中子星之类的天体。最著名的银河超新星是中国宋代（公元1054年）在金牛座发现的“天关客星”。现在可在该处看到著名的蟹状星云，其中心有一颗周期约33毫秒的脉冲星。一般认为，脉冲星就是快速自转的中子星。,一般认为太阳系是由一团星云在距今约 四十六亿年前由于自身引力的作用逐渐凝聚而成的，它是一个在很大范围内由多个天
27、体按一定规律排列组成的天体系统。这个太阳王国的成员包括一颗恒星、九大行星、至少六十三颗卫星、约一百万颗小行星和无数的彗星等。,二、太阳系,太阳是距离地球最近的一颗恒星，也是太阳系的中心天体质量占整个太阳系的99.86% 。太阳的年龄有五十亿年，正处在它一生中的中年时期。太阳与地球之间的平均距离约为1.5亿千米（天文学上称之为一个天文单位）。太阳直接为地表提供光能和热能，维持地表温度，为生物繁衍生长、大气和水体运动等提供能量。,太阳结构图,太阳系,水星距太阳五千八百万公里，是太阳系中和太阳最近的行星。水星没有卫星，它的体积在太阳系中列倒数第二位，仅比冥王星大。因为水星与太阳非常接近，所以它的白昼
28、地表温度可高达摄氏四百二十七度；而到晚上又骤降至摄氏零下一百七十三度。,水星Mercury,金星表面覆盖着主要由硫酸雾组成的浓密云层，地表温度达四百多度，比水星还要热。在英语中，金星“维纳斯”是古罗马的女神，像征着爱情与美丽。,金星Venus,地球上存在着生命，这使地球得以区别其他行星而成为太阳系中一个最特殊的天体。,地球Earth,火星是地球的近邻。它与地球有许多相同的特征，它是目前所知地球外最有可能存在生命的地方。 它们都有卫星，都有移动的沙丘、大风扬起的沙尘暴，南北两极都有白色的冰冠，只不过火星的冰冠是由干冰组成的。,火星Mars,木星是太阳系中最大的行星，它的体积超过地球的一千倍，质量
29、超过太阳系中其他八颗行星质量的总和。与其他巨行星一样，木星没有固态的表面，而是覆盖着966公里厚的云层。通过望远镜观测，这些云层就象是木星上的一条条绚丽的彩带。,木星Jupiter,在许多方面和木星十分相像的土星最突出的特征是环绕其赤道壮观的光环系统,土星Satum,很久以前遭受的一次猛烈天体撞击使天王星这个太阳系中第三大的行星只能躺着旋转。,天王星Uranus,海王星的世界是一个惊心动魄的世界，它是太阳系中大气活动最为剧烈的一个行星。,海王星Neptune,冥王星是太阳系中最小、离太阳最远的一颗行星。它究竟是否真正的行星目前还有争议。,冥王星Pluto,彗星：俗称扫把星，是一种质量很小，有特
30、殊形状和轨道的天体。彗星由彗核，彗发和彗尾组成,海尔波普彗星,太阳系图片,三、 星际物质,星际物质 是指星际空间存在的各种微小的星际尘埃，稀薄的星际气体，宇宙线，天体发射的各种电磁波，各种各样的粒子流等。星际物质的总质量约可占银河系总质量的10%，平均密度为每立方厘米只有1个氢原子。温度可从几K到几千万K。星际物质在银河系内分布是不均匀的。当星际气体和尘埃的质点，在每立方厘米内聚集到10-1000个时，就成为星际云。现在一般认为，恒星早期是由星际物质聚集而成，而恒星又以爆发、抛射和流失等方式，把物质送回到星际空间。,所谓宇宙射线，指的是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的带电粒子流。1912年，
31、德国科学家韦克多汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。,出于对宇宙射线研究的重视，世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究。前苏联、日本、中国、美国、法国等国家相继建立了宇宙射线观测站。虽然宇宙射线的起源尚无定论，但科学家们仍然逐步了解了宇宙射线的种种特性，以及对地球和人类环境的影响。 我们知道，宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流；也含有中性的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。它们在星系际银河和太阳磁场中得到加速和调制，其中一些最终穿过大气
32、层到达地球。人类对宇宙射线作微观世界的研究过程中采用的观测方式主要有三种，即：空间观测、地面观测、地下（或水下）观测。,有科学家认为，长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为，温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首，宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为，宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出，由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来，形成的带电离子可以引起水滴的凝结，从而可增加云层的生长。也就是说，当宇宙射线较少时，意味着产生的云层就少，这样，太阳就可以直接加热地球表面。对
33、过去20年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点，即太阳活动变得更剧烈时，低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子(即太阳风)可使宇宙射线偏转，随着太阳活动加剧，太阳风也增强，从而使到达地球的宇宙射线较少，因此形成的云层就少。此外，在高层空间，如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高，这些带电离子就有可能相互碰撞，从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子，保持的时间相对较长，因此足以引起新的云层形成。,宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定， 人们 已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息：射电星系、类
34、星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅，当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些 天体上能产生如此超常能量的粒子。,星际尘埃 是分散在星际气体中，直径为万分之一厘米的固态质点。其质量约占星际物质总量的10%，是一些象石墨粉末一样的碳粒。还有人认为, 星际尘埃是由水、氢、甲烷等的冰状物，二氧化硅、硅酸镁、三氧化二铁等矿物,石墨晶粒以及上诉物质的混合物组成的。星际尘埃能散射星光，使星光减弱（称星际消光）.星际消光又随波长的增长而增长,星光的颜色也随之变红（称星际红化）.星际尘埃能阻挡星光的紫外辐射，不使星际分子离解。同
35、时，星际尘埃又能起到加速星际分子形成的作用。星际气体 是指星际空间中存在的气态原子、分子、电子、离子等。其元素丰度以氢最多，氦次之，其它元素含量很少。星际气体的分布并不是均匀的，而是形成一块一块的云团，而在云团之间或许还弥漫着更加稀薄的气体和尘埃，密度极低，甚至比发射星云的密度还低。,太阳系行星际空间存在的磁场。系太阳风中的等离子体冻结于太阳磁场而形成的,其磁力线的一端在太阳上、另一端在太阳风等离子体之中。太阳自转导致磁力线呈螺状分布,在黄道面上则形成阿基米德螺线；均具扇形构造,且每一扇形内部磁场方向都一致指向或背离太阳,而两相邻扇形内磁场之极方向相反；磁场有年度变化及太阳周变化规律,太阳宁静
36、时其强度约(510)10-9特,当太阳激烈活动时则可达5010-9特以上,显然与太阳活动密切相关。,四、星系和星系团,宇宙中存在明显的等级式结构:恒星 星系 星系团 超星系团,银河系是太阳所属的一个庞大的恒星集团，约包括1011颗恒星。这种恒星集团叫星系。许多恒星组成的巨大星系就是由大爆炸散发的物质构成的。宇宙是由上千万个星系构成的，星系间是无限的太空。有的星系甚至包括了1000亿颗恒星，每18天就会有一颗新恒星在银河中诞生。,星系,星系的空间分布不是无规的，它也有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。大约只有10%星系属于这种大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。
37、可以肯定的是，星系团代表了宇宙结构中比星系更大的一个新层次。这层次的尺度大小为百万秒差距，平均质量是星系平均质量的100倍。,星系团,银河系,本星系群（Local Group）,银河系所属的 数十个星系的集合，尺度约数百万光年,星系团 (Cluster of Galaxies),数十至数千个星系的集合，星系团的尺度约数千万光年：,室女座星系团,超星系团: 若干星系团的集合体,星系分布的大尺度结构,观测宇宙,目前发现的最远天体：137亿光年,半径137亿光年,室女座超星系团,宇宙天体的空间尺度,地球 10 7 米 太阳 10 9 米 太阳系（恒星） 10 13 米 星系（银河系） 10 21 米
38、 (十万光年) 星系团 10 23 米 (百万光年) 超星系团 10 25 米 (亿光年) 大尺度结构 大于 3亿光年 观测宇宙 10 26 米 (百亿光年),精确测定宇宙的整体参数,H0 哈勃常数 50-100 km/s/Mpc ？ 0 总密度 0.2-？ 宇宙学常数 0 - ？ m 物质密度 0.2-？ b 重子密度 0.04？到百分之几的精度,理论物理中没有解决的问题：1）暗能量2） 暗物质3） 物质的起源（重子不对称的起源）4）真空的选择,宇宙中的暗组分,最近观测宇宙学资料，宇宙中暗能量占总能量的74，暗物质占 22，物质仅占4。,1）暗能量暗能量的发现：1998年，两个研究Ia型超新
39、星小组宣布发现暗能量,暗能量被认为是宇宙膨胀加速的原因。Ia型超新星就像路灯，它们看起来比过去的“标准宇宙学”预言的要更加远离我们：,暗能量的存在也得到其他宇宙学观测实验的支持：,微波背景辐射的功率谱星系团的功率谱弱引力透镜效应实验室的直接测量？,暗能量的性质？1）宇宙学常数（真空能）2）标量场的能量（quitessence, phantom, ）3）爱因斯坦广义相对论在大尺度上的修改4）密度不均匀性的结果5）,暗能量理论上的两个基本问题1）暗能量为什么这么小，因为真空零点能的贡献和场论的截断有关，最通常的估计是2）暗能量为什么不为零，而且和暗物质密度差不多 （宇宙学巧合问题）。上百个机制被提
40、了出来，但没有一个得到公认。暗能量问题基本上是一个量子引力的问题。,目前存在的模型大致可以分为以下五类：（1）超对称/超引力，超弦理论。 （2）人择原理(anthropic principle)。 （3）调节机制。 （4）改变爱因斯坦引力理论。 （5）量子宇宙学。最近出现第六类理论，就是所谓的全息暗能量理论。,t Hooft2004年在北京说的话也许是有先见之明的，就是，我们拥有的是100 wrong theories about dark energy.我们研究暗能量正如盲人摸象,2）暗物质1933年，Zwicky就提出了暗物质的概念。1968年，Silk（Silk damping, 密度涨
41、落消失）1974年起，更多的观测证据,证据之一,证据之二弱引力透镜效应,证据之三，Silk damping.证据之四，宇宙微波背景辐射,Boomerang+WMAP25 % 暗物质， 5% 重子,暗物质的性质1）不发光2）今天还存在于星系和星系团中3）大爆炸发生后就存在，大于重子密度4）相互作用非常微弱5）不破坏核合成,暗物质到底是什么？1）不可见重子（有很多问题，不大可能）2）中微子，困难：不容易集团，质量需要大于20ev，Sterile中微子的可能性存在3）新粒子处于平衡态的粒子：neutralinos, Kaluza-Klein, 处于非平衡态的粒子：axions, gravitinos
42、, ,毫无疑问，要回答暗物质到底是什么的问题，我们不能仅仅依靠宇宙学观测。欧洲大型强子对撞机（LHC）很有可能发现暗物质粒子。,3）物质的起源宇宙中有大约4的物质，但没有反物质。物质的起源和正反物质不对称有关。,Sakhanov条件：,重子产生的条件: 重子数不对称 CP 破坏 非平衡过程 G(DB0) G(DB0) 可能的物理 质子衰变 CP破坏,老的大统一解释：大统一肯定破坏重子数守恒。大统一能标上的粒子X衰变新观察到的直接CP破坏过程 ：大统一的解释存在磁单极问题。,标准模型在标准模型中B不守恒，但B-L守恒。T174GeV时，B和L被“清洗”。目前两个方向：1）弱电重子合成。2）“轻子
43、合成”。,1）弱电重子合成 (Kuzmin, Rubakov, Shaposhnikov)开始的时候，B=L=0通过一级相变达到非平衡状态产生不为零的B和L2）“轻子合成” (Fukugita, Yanagida)从L不守恒的过程产生不为零的L场论中的反常将不为零的L部分转换成不为零的B,和谐模型（concordance model),74%暗能量,4重子物质,22暗物质,4）真空的选择,真空的选择可以说是理论物理和宇宙学的终极问题，内涵包括：1）时空为什么是4维的？2）物理学常数为什么是这样的？ 相互作用强度 粒子的质量3）宇宙学参数为什么是这样的？ 为什么能量有三种组分？ 为什么密度涨落是
44、这么大? 为什么宇宙有这么大？,例如超弦理论解释说，时空是10维的或者是11维的，之所以有宏观的4维时空，是因为Landscape,也就是说，基本理论中允许很多不同亚稳态真空存在，我们的宇宙不过是很多可能宇宙中的一种。Multiverse,当然，大多数人不能接受landscape和multiverse这样的理论。一个正确的真空选择的解答需要更多的理论和实验方面的工作。前面三个问题可以看成真空选择问题的三个侧面。不能是弦论也好，还是其他什么基本理论也好，需要面对的是正面回答我们前面讨论的三个问题，以及给出一个合理的真空选择机制。,My religion consists of a humble
45、admiration of the illimitable superior spirit who reveals himself in the slight details we are able to perceive with our frail and feeble mind. Albert Einstein仰慕无边的造物主用具体细节揭示她的存在，而我们卑微的理解力可以理解这些具体而微细节，这就是我的宗教。阿爱因斯坦,20-2太阳和它的九大行星,太 阳 基 本 数 据,一、太阳的结构和活动,太阳的结构太阳是太阳系的中心天体,是太阳系里唯一的一颗恒星,也是离地球最近的一颗恒星。太阳是一颗
46、中等质量的充满活力的壮年星，它处于银河系内，位于距银心约10千秒差距的悬臂内，银道面以北约8秒差距处。太阳的直径为139.2万千米，是地球的109倍。太阳的体积为141亿亿立方千米，是地球的130万倍。太阳的质量近2000亿亿亿吨，是地球的33万倍，它集中了太阳系99.865%的质量，是个绝对至高无上的“国王”。太阳是个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和大气层。太阳能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高，它发生着由氢聚变为氦的热核反应，而该反应足以维持100亿年,因此太阳目前正处于中年期。太阳大气的主要成分是
47、氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。,太阳内部结构示意图,太阳能源,从很远处看, 太阳是一个黄色的矮星 太阳中心区域内持续不断的热核燃烧。4 1H 4He 由Einstein 的质量-能量关系式 E = Mc2 M c2 = 4 M(1H) M(4He)c2 = 26.73 MeV同时释放26.73 MeV的能量。,(续),太阳内部每秒钟都有7,750万吨的氢在这种热核爆炸过程中转化为氦, 正是由于这种热核燃烧维持着太阳巨大的光度。 太阳内部这样规模的热核燃烧已经持续了45亿年。 估计它还可以这样稳定地再燃烧50亿年左右。 在恒星世界中太阳是一个普通的恒星。,恒星内部热核燃烧与演化,一
48、颗恒星的演化史本质上就是它内部核心区域的 热核(燃烧)演化史。大质量恒星演化进程将先后经 历一系列热核燃烧阶段: H燃烧 (稳定核燃烧, 主序星): 核合成主要结果: 4 1H 4He1. PP反应链- Tc 1.6107 K小质量恒星 1.1 M 对太阳(), 稳定燃烧 100亿年,太阳内部主要热核反应强大的中微子源,pp链:氢(质子)合成氦(粒子) 小质量(M 1.1 M)主序星 的氢燃烧,(pp-),86%,0.15%,99.85%,太阳强大的中微子源,从太阳发射出来的中微子主要是低能中微子。中能中微子的流量只占低能中微子流量的1/20。高能中微子流量只有低能中微子流量的三十万分之一。
49、中微子流量理论预言取自文献:J. Bahcall, ApJ, 2001, 555, 990-1012。,Davis中微子探测实验,由于中微子能谱差异及某些技术原因，按照上述方法, Davis于1954年未能探测到太阳中微子流。 早在中微子尚未被实验证实之前的1946年, 意大利物理 学家B. Pontecorvo就提出了利用一种 “氯探测器”来 探测太阳中微子的建议。 1958-1968年间，在美国南达科他州Homestake这个 地点的地下废矿井中,采用 455 m3的C2Cl4作为探测材 料, Davis利用放射性化学方法建立了一个大型的中微 子探测器 氯探测器。 1968年公布了第一批探测结果: 探测到的太阳中微子流量 只有理论预言流量的1/3 轰动全世界。,
