暗物质与暗能量.ppt
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1、暗物质与暗能量,暗物质与暗能量 是在宇宙学研究中发现的。,人的尺度在粒子与宇宙中间,大尺度观测事实, 可见物质的平均密度: B 10-31 g/cm3 有暗物质,高1个量级 微波背景辐射(黑体、 各向同性): T=2.726K n 400(T/2.7K)3 cm-3 Hubble关系: Z=(-e)/e=(H0/c)D H0=100h0 km/(s.Mpc) h0 0.710.07, 重子-光子比: = nB/n 10-10 轻核素丰度: 4He:0.22Y0.24 D/H1.810-5 (D+3He)/H1.0 10-4 7Li/H (1.0-1.4) 10-10 宇宙年龄: tgc =(1
2、.50.4) 1010年 1/H0= (1.38 0.14) 1010年,怎样测量物质?,暗物质,光度方法,质光关系:据光度定质量 主序星质光关系: LMa, 3a 4 可见物质的平均密度:,B10-31 g/cm3,力学方法,用力学方法测出的质量往往比用光度方法测出的质量大得多,有量级之差。 测量范围越大,差别越大 存在暗物质(可大1个量级): 有引力,却不发光,VR-1/2(Kepler),Vconst,星系旋转曲线,曲线平坦部分远 高于Kepler情形,7 spiral galaxies. The flatness indicates the presence of huge dark
3、halos. (V.J. Martinez, astro-ph/0203377).,巨大的暗晕: 存在暗物质,暗物质的性质,暗物质不发光,却有引力。 宇宙中暗物质比可见物质多得多。 暗物质粒子的主要性质: 1)长寿命; 2)主要是冷的(质量大); 3)作用弱。 主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。 “过尽千帆皆不是(温庭筠 )”! 可能候选者:Neutralino、Axion等。,暗物质存在的其他证据,宇宙结构(恒星、星系)形成所需的物质远多于宇宙核合成定出的重子物质。 如果没有暗物质,就没有足够的时间形成今天宇宙的结构。有了暗物质,就可以在复合期前在暗物质中形成增长。 CMB非各向同性的存在
4、, 105。 ,怎样测量宇宙年龄?,宇宙年龄,宇宙年龄的下限, 宇宙年龄大于任何天体的年龄: 地球年龄:放射性测量 太阳系年龄: 年龄最大的球状星团: t =(1.50.4) 1010 年 为宇宙年龄下限,宇宙年龄的上限,如果宇宙是等速膨胀,则宇宙年龄: t1/H0(称哈勃年龄) 存在引力,宇宙减速膨胀, t1/H0: 哈勃年龄为宇宙年龄上限。,哈勃年龄 :1/H0,真实年龄小于哈勃年龄,1929年,哈勃本人首次给出H0500(km s-1 Mpc-1),1936年,哈勃考虑到星际消光的影响,将哈勃常数改 为H0=526, 误差15%。(由此给出的宇宙哈勃年龄很短, 只有H0-1 = 1.84
5、108 年。),1956年,Humasion等人给出H0 = 180。,1961年,Sandage等人给出H0 = 9815。,1970s年, Sandage等人给出H0 = 50.34.3; de Vaculear等人给出H0 = 100 10。,哈勃常数测定的变迁,目前(2002)值:H0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 1/H0=(1.38 0.14)1010 年,宇宙年龄问题,球状星团年龄的测定: t =(1.50.4) 1010 年 哈勃常数的测定: H0=(717)0.951.15 km s-1 Mpc-1 哈勃年龄:1/H0=(1.38 0.14)1010
6、年,重要矛盾!,若0,k0,真实年龄 t0=2/3H0=(0.920.09) 1010年,数学框架,宇宙动力学,Feynman 名言,“物理学家具有这样的习惯,对于任一类现象,研究它们的最简单例子,把这称为物理,而把更复杂的情况,看作其它领域的事。” R. P. Feynman,宇宙学原理,宇宙在大尺度上是均匀的,没有边界,也没有中心。“一切平等。” 从每个典型星系上看到的宇宙是完全一样的。“没有任何一个地方有优先权。”,宇宙动力学方程,Einstein方程: tt ss 消去 ,得宇宙动力学方程 临界密度(k0): g/cm3,静态宇宙,静态宇宙: 要求 , 即,和P必有一负,一般是做不到的
7、。,为正,k必为正,闭宇宙,Einstein宇宙与宇宙常数,Einstein方程 为使Einstein宇宙成为静态,要求 , 此时,只要为正,、P均可为正,、为正,k必为 正,必为闭宇宙。,爱因斯坦宇宙,静态 这是第一个现代宇宙学模型 线元: 空间有限而无边,时间无限 爱因斯坦模型经不起微扰,不稳定,Hubble定律与动态宇宙,Einstein宇宙不稳定 Hubble定律的发现 静态不再必要 宇宙常数也不再必要,Einstein本人也后悔引入了它。,哈勃图,据Ia型超 新星测距,from JA Peacocks book(1999),进一步提供 测距方法,哈勃关系,Hubble关系: Z=(-
8、e)/e=(H0/c)D H0=100 h0 km/(s.Mpc) h0=0.4 1 2002年: h0=(0.710.07)0.951.15,宇宙在膨胀!,Friedmann宇宙,动态 这是现代宇宙学的基础模型 线元: 空间可以有限,可以无限,但时间有限 这是动态模型,不存在不稳定性 两个可观测参数:,Hubble常数,减速因子,两个可观测参数,Hubble常数,减速因子,H,宇宙膨胀曲线,k=+1 封闭,有限 k=0 平直,无限 k=1 开放,无限,核素丰度演化,核素丰度的确定 Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2.610-10 nB/s 6.2 10-
9、10 相当于 B=(1.8 4.3)10-31 (g/cm3) 核素丰度可以确定重子物质密度(可见物质密度),引力之外还有斥力?,宇宙在加速膨胀?,超新星,超新星分类: II型有氢线(大质量恒星的塌缩) Ia型没有氢线(白矮星吸积到Chandrasekhar极限质量) Ib型没有氢线、富氦(大质量恒星的塌缩) Ic型没有氢线、贫氦(大质量恒星的塌缩),Ia型超新星,当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限,白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。,Luminosity distance of a standard candle DL(z) = Lp/(4F)1/2,超新星宇宙学,A tigh
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