文档介绍：宇宙学专题讲座
马文章
北京师范大学
天文学教授
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宇宙加速膨胀的原委 ---2011年诺贝尔物理学奖项解析
1、从哈勃定律说起
2、膨胀的宇宙与大爆炸宇宙模型
3、宇宙中的物质质量决定着宇宙的未来
4、意外发现宇宙在加速膨胀
5、宇宙加速膨胀与暗能量
6、宇宙加速膨胀与宇宙的未来
7、对宇宙加速膨胀的新思考
宇宙学中的几个概念
宇宙:空间和时间的总称。
我国古代战国时期的天文学,就有“四方上下曰宇,古往今来曰宙”的说法。
宇宙学:是天文学将宇宙作为整体加以研究的一门科学;宇宙学是天文学下属的二级学科天体物理学的一个分支学科;
宇宙学研究的内容:研究宇宙整体的物质结构、运动以及演化规律。
现代宇宙学: 建立在现代天文学(即全波段观测)的观测数据基础上,以现代物理学(广义相对论等)的理论,研究宇宙整体的运动、物质结构及演化。
宇宙学原理:在宇宙中没有一个方向或地方与其他方向或地方相区别,空间有同样的性质,即宇宙的大尺度特征相同。该原理建筑现代天文观测基础上。
一、从哈勃定律说起
1、河外星系红移的发现
1929年,美国天文学家哈勃研究河外星系光谱观测资料时,发现河外星系谱线都有红移现象。说明河外星系远离我们而去,而且远离的速度和距离成正比。
河外星系光谱线红移揭示了:我们观测到的宇宙在膨胀,即星系随着宇宙的膨胀而相互远离,越远的星系远离的速度越快。
宇宙中像银河系这样的星系约有500亿个,光谱观测发现绝大多数都存在谱线红移现象,即绝大多数河外星系都远离我们而去。天文观测事实揭示了宇宙在膨胀。
2、哈勃定律的建立
哈勃根据星系的距离和退行速度资料。
经作图发现二者呈线性关系,即星系退行速度与距离有明显的正相关。
距离越远的河外星系远离的速度越大。这就是哈勃定律
退行速度υ= H₀ Xγ
H₀: 哈勃常数γ:距离
二、膨胀的宇宙与大爆炸宇宙模型
1 、宇宙的开端
基于星系光谱线红移和哈勃定律,天文学家普遍认为宇宙在膨胀。宇宙膨胀是天文观测观测事实。
那么进一步倒推将会得到,过去的某一时刻宇宙中的物质都将聚集在一起,密度趋于无穷大,这可能就是宇宙的开端。
2 、基于宇宙膨胀的大爆炸宇宙模型
1948年,俄裔美籍天文学家伽莫夫根据宇宙在小尺度上物质分布不均匀性;在大尺度(一亿光年以上)上物质分布趋于均匀以及天体间引力作用的事实。
伽莫夫提出:宇宙起源于超高温、超高密状态下的〝原始火球〞。
3 、伽莫夫大爆炸宇宙模型的基本要点
1)、爆炸原因:伽莫夫认为,在原始火球内充满基本粒子,是由于基本粒子相互作用原始火球发生爆炸。
2)、爆炸形式:原始火球爆炸是向四面八方均匀地膨胀, 随着膨胀物质间距离增加。
3)、恒星的形成:恒星及一切实体是随着宇宙膨胀和温度降低过程中形成的。宇宙温度降低各种粒子才逐步形成恒星和星系,直至演化到今天的宇宙。
因此,宇宙演化的各个时期图像应是完全不同的。
4)、微波背景辐射:大爆炸理论预言:宇宙演化到今天,应有4k~10k宇宙背景辐射存在。
5)、轻元素的丰度:现今宇宙空间存在的大量氢和25~30%的氦,应是宇宙早期的产物。
大爆炸宇宙演化进程的示意图
宇宙微波背景辐射
根据大爆炸宇宙的进程,今天测得的微波背景辐射是宇宙在30~70万年时,由4000~3000度高温等离子体状态,转化为中性气体并开始出现稳定的氢、氦的原子时期,标志宇宙进入复合时代。
这时的宇宙,从以能量为主的时期转变成以物质为主的时期,在宇宙空间光子可以自由穿行。
宇宙最早出现的辐射遗存下来的余辉,。
宇宙微波背景辐射,。
4、大爆炸宇宙模型能解释那些观测事实
1 )、大爆炸理论认为:所有恒星都是在宇宙温度下降后产生的,任何天体的年龄都应比自温度下降至静态这一时间段要短,即应小于200亿年。
目前,各种天体年龄测量结果,证明了这一点即天体年龄均小于200亿年。
2 ) 、由观测得到的各类天体氦的丰度约占25%,但恒星热核反应理论不能解释会有如此高的氦产生。
大爆炸宇宙理论认为,早期温度高产生氦的效率也高,会有25~30%的氦产生。