天文学课件之9

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1、大学物理第九章宇宙学牛顿的静态宇宙观爱因斯坦的有限无界宇宙模型伽莫夫的大爆炸宇宙论标准宇宙模型宇宙早期的暴涨模型暗物质与暗能量奇点问题往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。－《淮南子·齐俗训》大学物理9.1牛顿的静态宇宙观中国古代的宇宙观盖天说（周初）：地是平坦的，天如伞一样覆盖大地。浑天说（战国）：天地有蛋形结构，地在中心，天在地周围。宣夜说（战国）：天无限而空虚，星辰悬浮空虚之中。7世纪　牛顿开创用力学方法研究宇宙学的途径，建立经典宇宙学。大学物理牛顿静态宇宙观的精髓：绝对空间是静止不动的。绝对时间是永远流逝的。空间和时间都永无止境，没有起源，没

2、有终点。大学物理奥伯斯佯谬由德国的医生兼业余天文学家奥伯斯于1823年提出，于1826年修订。　　确切的表述是，如果宇宙是稳恒，无限大，时空平直的，其中均匀分布着同样的发光体，由于发光体的照度与距离的平方成反比，而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比，这样就使得对全部发光体的照度的积分不收敛，黑夜的天空应当是无限亮的。大学物理如何摆脱奥伯斯佯谬?佯谬的前提即是牛顿静态宇宙观，它涉及的相关命题有四个：1.宇宙是无限的2.宇宙中到处都有大致上均匀分布的恒星，恒星的总数无限大。3.宇宙是静止的，没有变化的。4.宇宙存在的时间是无限长的。至

3、少要推翻其中一个命题，才能摆脱奥伯斯佯谬大学物理9.2爱因斯坦宇宙模型1917年爱因斯坦根据广义相对论建立了一个“静止、有限、无界”的宇宙模型，引进宇宙学原理、弯曲时空等概念，从而开创了现代宇宙学研究的时代。1922年苏联数学家弗里德曼探讨非静态宇宙及宇宙膨胀的可能性。1927年比利时主教、天文学家勒梅特提出均匀各向同性膨胀宇宙学模型。1932年勒梅特提出“原始原子”爆炸形成宇宙的概念。1948年美国天文学家伽莫夫发展勒梅特思想，奠定大爆炸宇宙论的基础。大学物理1.宇宙学原理(1)宇宙中的物质是均匀分布的迄今没有发现尺度超过200Mpc的结构→

4、宇宙是无边界的约100万个星系在30度天空范围和20亿光年距离内的分布大学物理(2)宇宙是各向同性的→宇宙没有中心大学物理2.Einstein静态宇宙模型1915年Einstein建立广义相对论物质引力时空弯曲1917年Einstein将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构。在假设宇宙是无限大的、均匀的前提下，Einstein发现方程的解是不稳定的，表明宇宙在膨胀或者收缩。Einstein认为宇宙应该是永恒的、稳定的。为求引力场方程的均匀的和各向同性的解，Einstein加入一个起斥力作用“宇宙常数”Λ项，得到一个静态宇宙模型（有限无边，没

5、有中心）。大学物理3.Friedman膨胀宇宙模型1922年，俄国数学家A.Friedman求得不含“宇宙常数”项的引力场方程的均匀的和各向同性的通解。在这个模型中宇宙是膨胀的，膨胀宇宙的演化取决于宇宙中的物质自引力或密度ρ的大小。宇宙总能量E=T+U=mV2/2–GMm/r=mH2r2/2–(4πr3/3)Gmρ/r=mr2(H2/2–4πGρ/3)→当ρ=ρc=3H2/(8πG)≈8×10-30gcm-3时，E=0大学物理宇宙的未来定义宇宙密度参数Ω0=ρ/ρcΩ0>1,束缚宇宙Ω0<1,开放宇宙Ω0=1,临界束缚宇宙Ω0的测定在一个很大的

6、空间内测量星系的质量Ω0≈0.01.如果宇宙中的物质绝大部分由暗物质构成Ω0≈0.3-0.4大学物理宇宙的未来Ω0>1,膨胀→收缩Ω0<1,无限膨胀Ω0=1,无限膨胀热死亡振荡冷死亡大学物理宇宙的位形Ω0=1,零曲率，平直宇宙Ω0>1,正曲率，封闭宇宙Ω0<1,负曲率，开放宇宙大学物理4.Lemaitre的原始原子理论1927年，比利时教士和天文学家G.Lematire重新得到Einstein引力场方程的Friedman解。Lematire指出哈勃观测到的宇宙膨胀现象正是Einstein引力场方程所预言的。因此，过去的宇宙必定比今天的宇宙占有较

7、小的空间的尺度。并且，宇宙有一个起始之点，称为“原始原子”。对奥伯斯佯谬的现代解释由于宇宙膨胀，星系在离我们远去，发出的光子发生红移宇宙的年龄不是无限的，遥远恒星的光子迄今尚未到达地球。我们只可能观测到宇宙视界（天体的退行速度达到光速处）内的天体的辐射。大学物理5.大爆炸宇宙学1940sGamov和Alpher首先提出宇宙起源于约150亿年前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空间膨胀（宇宙是无中心的）。随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形成。GeorgeGamov大学物理1948年，伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一

8、篇著名论文，系统地提出了宇宙起源和演化的理论。与我们惯常的想法不同，这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而