中科大天文系课件-82观测事实

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1、§8.2观测事实观看视频：宇宙大尺度结构1宇宙大尺度结构2建立宇宙学模型必须依据的观测事实：1、红移一距离（红移一视星等）关系观看视频：哈勃（E.Hubble）1929年发现了这一著名关系。对于距离为的星系，他发现星系的红移，即红移正比于该星系的距离。换算成星系的退行速度，由于，若故有，其中称为哈勃常数，由观测确定，其值的范围是。或者用红移一视星等关系表示：如果认为星系的累积绝对星等相同，又常数（这一关系只对小时成立，大时宇宙曲率的影响不可忽略）几个典型星系的退行速度-距离关系哈勃关系目前的观测结果，曲线上的数字表示哈勃常数的数值大小（）观测到的星系在全天空的分布3、微波背景辐射观看

2、视频:微波背景辐射伽莫夫(G・Gamow)是现代热大爆炸宇宙学的奠基人。在哈勃发现天体的整体退行20年之后，伽莫夫从理论上提出：宇宙起源于一次大爆炸.他计算了原初大爆炸的那个“火球”由于膨胀冷却而在今天宇宙中遗留下的背景光子温度一一大约10K.伽莫夫的工作在当时没有引起人们的重视，因为还没有多少人愿意把宇宙学作为一门真正的科学来对待，以致于事隔20多年之后，人们才又把伽莫夫的计算重新做了一遍.1964年5月，两位贝尔实验室的工程师彭齐亚斯(A.A.Penzias)和威尔逊(R・W.Wilson)在美国新泽西州的一个偏远小镇上把一台喇叭型的天线指向天空用以研究来自天空的无线电噪声，他们

3、这台天线具有良好的性能，能把来自地面的噪声压低在0.3K以下。当他们开始测量来自天空的噪声时，发现扣除了大气吸收和天线本身的影响后，有一个3.5K的微波噪声相当显著。在认真检查了天线的每一个接缝、甚至清除了天线内的一个鸽子窝后，噪声依旧存在。日后一年里的观测表明，这种噪声与天线在天空的指向无关，也与地球的周日运动、太阳运动无关,故而它是弥漫在空间的一种辐射，即宇宙背景辐射。几乎与此同时，普林斯顿大学的迪克(R・H・Dicke)等人正着手制造一台小型天线，来探测理论家们所预言的残存的背景辐射。对于一个10K的黑体谱，其主要辐射应集中在微波波段。WMAP卫星探测到的宇宙微波背景辐射图当迪

4、克获知彭齐亚斯和威尔逊的发现后，立即断言这便是他们所致力寻找的东西。于是这两位并不懂宇宙学的工程师，1965年在美国天体物理杂志上发表了题为“在4080MHZ上额外的天线温度测量”的短文，这一发现荣获了1978年的诺贝尔物理学奖。微波背景辐射的发现是继哈勃发现天体整体退行后宇宙学的第二个巨大成就。在之后的30年里，许多天文学家使用了地面和空间的各种探测设备，在各个波段对宇宙背景辐射做了细致和高精度的测量。上图是美国WMAP卫星的最新巡天测量结果。下图测点是COBE卫星测量得到的微波背景辐射谱，从中可以看出，微波背景辐射的频谱是高度符合普朗克的黑体辐射定律的，相应温度是这一温度测量的结

5、果肯定了宇宙早期的热历史，它的高度各向同性又表示宇宙早期的物质分布是高度各向同性的，这就为标准宇宙学模型的主要框架——宇宙是均匀各向同性的一一提供了最有力的佐证。4、天体时标从球状星团的赫罗图判断，较老的球状星团年龄差不多都达到100亿年左右,按同位素年代学来计算，样，可以有把握地估计，太阳系中某些重元素是50亿到100亿年前形成的。这最古老的天体年龄不会超过200亿年。5、元素丰度现代宇宙学力图说明元素是如何起源的，所以一些元素的丰度，是相当关键的宇宙学参量。He丰度在各种不同的天体上大致占25%-30%,H/He〜3:1,两者加起来约占99%。这表明元素丰度的如此分布是大尺度上的

6、一种普遍性质。（从另一方面说，如果时间是没有开端、无限的，则由于恒星的演化，重元素的丰度应非常高，甚至占主导！）宇宙早期的核反应过程轻元素丰度与重子密度的关系，图中方框和箭头表示观测结果的允许范围6、反物质粒子数非常少：按照狄拉克1930年代的看法，宇宙应当是正、反物质对称的。他认为，地球和太阳系中，电子和质子在数量上占优势，而有些星球情况可能会反过来，它们主要由正电子和反质子组成。在整个宇宙中，可能每种星体各占一半。但这两类星体有着完全相同的光谱，用现有的天文学方法，无法辨别这两类星体。狄拉克的上述看法是基于自然界严格对称的考虑。但自从李政道等1957年发现弱相互作用中宇称不守恒（

7、即微观粒子过程的空间反演对称性被破坏了，致使中微子只有左旋而没有右旋，反中微子只有右旋而没有左旋）以来，已陆续发现许多对称性被破坏的情况，例如弱相互作用中的电荷宇称（即宇称）、奇异数等都不守恒，粲夸克在通过弱作用衰变时，粲量子数也不守恒。1970年代开始兴起的大统一理论，甚至认为强作用的色荷可以变为弱作用的色荷，使重子（质子、中子和超子）可以变为介子或轻子，这样连重子数也都不守恒了。人们已经作过许多观测，来确定宇宙中的反物质到底有多少。这其中主要的根据是，