哈工大天文學(xué)概論第一節(jié)2

1、The Galaxy,What Are Galaxies?,Collection of billions of stars.Held together by gravity.,,,,NGC 4603 and NGC 4881,銀河系的整體結(jié)構(gòu),1. 銀河系全貌 銀河是天空中的一個(gè)環(huán)帶，在人馬座附近最亮、最寬，它的中心線近似為天球上的一個(gè)大圓。The Galaxy, Milky Way,銀河系廣角圖像,,360-degree Mil

2、ky Way Panorama,2. 銀河系結(jié)構(gòu),銀河系是一個(gè)包含2×1011顆恒星的、具有旋渦結(jié)構(gòu)的盤狀星系。質(zhì)量~ 1012M⊙，直徑 ~ 105 ly (30 kpc),,主要成分(1) 銀盤 (disk) （旋臂spiral arm）、 (2) 核球 (bulge) 、 (3) 銀暈 (halo) 、(4) 銀冕 (corona),,銀盤：直徑~30 kpc, 厚度~300 pc,,球狀星團(tuán),,核球,,銀暈,,

3、我們?cè)谶@,銀河系結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,3. 銀道坐標(biāo)系,原點(diǎn)：觀測(cè)者坐標(biāo)系平面：銀道面 銀心方向：α=17h 45.7m, δ=－29°00′ 北銀極坐標(biāo)：α=12 h 51.4 m, δ=27°08′ 天體位置在銀道坐標(biāo)系中的計(jì)量 銀經(jīng)(longitude) l ( ) 從銀心方向開始、沿銀道面按逆時(shí)針方向計(jì)量。 銀緯(altitude) b (

4、 ) 從銀道面量起，向北為正，向南為負(fù)。,4. 星族 (population),1944年Walter Baade發(fā)現(xiàn)星系暈與核球中的恒星明顯比盤中的恒星顏色偏紅。Baade由此提出星族的概念。,星族I恒星 (演化充分的恒星,宇宙形成以后,不出銀盤即死亡)年輕的、富金屬恒星（金屬豐度為太陽(yáng)值的0.1-2.5倍）主要位于銀盤中 ，繞銀心作圓軌道運(yùn)動(dòng) 。如疏散星團(tuán)。星族II恒星(宇宙形成之初的古老恒星或

5、小質(zhì)量, 無(wú)重元素)年老的、貧金屬恒星（金屬豐度為太陽(yáng)值的0.001-0.03倍），主要位于銀暈和核球中，以銀心作為中心球?qū)ΨQ分布繞銀心作無(wú)規(guī)則的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。如球狀星團(tuán)。,不同星族恒星的軌道運(yùn)動(dòng)特征,星系盤內(nèi)的恒星繞銀心作規(guī)則的圓軌道運(yùn)動(dòng)。暈中的恒星繞銀心作高偏心率的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，且軌道取向是隨機(jī)的。,金屬豐度越低的恒星離銀道面越遠(yuǎn) → 銀河系演化,不同星族天體的特征比較,5 利用球狀星團(tuán)測(cè)定R0和V0 (距離測(cè)定),球狀星團(tuán)

6、的空間分布大致是球?qū)ΨQ的，它們組成的次系的中心就是銀心。 球狀星團(tuán)繞銀心旋轉(zhuǎn)的軌道是無(wú)規(guī)的，可以認(rèn)為它們作為一個(gè)整體相對(duì)于銀心不動(dòng)。,?測(cè)定星團(tuán)的距離，就可以定出太陽(yáng)到球狀星團(tuán)次系中心的距離，即太陽(yáng)到銀心的距離。 ?通過(guò)觀測(cè)星團(tuán)的速度可以求出太陽(yáng)相對(duì)于球狀星團(tuán)次系的運(yùn)動(dòng)，即太陽(yáng)繞銀心的轉(zhuǎn)動(dòng)，R0 = 8.5 kpc，V0 = 220 kms-1太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω0 = A－B=25 kms-1kpc-1，轉(zhuǎn)動(dòng)周期為2.2&#

7、215;108 yr.,1920年H. Shapley利用球狀星團(tuán)內(nèi)的天琴RR型變星測(cè)量星團(tuán)距離，并給出球狀星團(tuán)的空間分布。Shapley發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)均勻地(無(wú)規(guī)則,隨機(jī))分布在銀河的兩側(cè)，并且有向人馬座聚集的傾向。,The Creator Milky Way,Shapley認(rèn)為球狀星團(tuán)是銀河系的子系統(tǒng)，并以銀心為分布中心。Shapley由此估計(jì)太陽(yáng)系到銀心的距離為16 kpc.在Shapley的模型中，銀河系的結(jié)構(gòu)是扁盤狀的，

8、直徑為100 kpc.,,Shapley’s Milky Way,,(4) 銀河系質(zhì)量,在太陽(yáng)軌道內(nèi)包含的質(zhì)量為：(理論求解) M = R0V02/G ≈ 1.0×1011M⊙ 銀河系的可見質(zhì)量約為2.0×1011M⊙ 銀河系的實(shí)際質(zhì)量遠(yuǎn)超過(guò)1011 M⊙，表明在銀暈中存在大量的暗物質(zhì)(dark matter)。,Dark Halo,銀河系

9、的轉(zhuǎn)動(dòng),1. 銀河系的轉(zhuǎn)動(dòng)(1) 銀河系的較差轉(zhuǎn)動(dòng) 方法 測(cè)量恒星和氣體云譜線的Doppler位移（視向速度）隨銀經(jīng)的變化。 太陽(yáng)附近恒星視向速度（或自行）的周期性變化：在太陽(yáng)周圍360度的視線范圍內(nèi)，恒星的譜線位移表現(xiàn)出周期性的藍(lán)移和紅移。,銀河系的轉(zhuǎn)動(dòng)是較差轉(zhuǎn)動(dòng)在太陽(yáng)附近，距離銀心越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越小,太陽(yáng)附近恒星的視向速度的變化,銀河系的旋渦結(jié)構(gòu),1. 銀盤 (Galactic disk)構(gòu)成：星族I恒星、氣體和

10、塵埃 直徑：D ~ 30 kpc厚度：h ~70-300 pc D >> h,2. 銀河系旋臂的證認(rèn),(1) 光學(xué)觀測(cè) 示蹤天體 O, B型星、年輕的疏散星團(tuán)、發(fā)射星云和HII區(qū)、經(jīng)典造父變星。 方法標(biāo)準(zhǔn)燭光造父變星周光關(guān)系 限制 星際塵埃消光,太陽(yáng)附近恒星的分布,(2) 射電觀測(cè) 示蹤天體 HI區(qū)、分子云。方法 測(cè)量HI區(qū)21 cm譜線和分子云的毫米波譜線Doppler譜線位移

11、→ 視向速度 → 轉(zhuǎn)動(dòng)速度比較銀河系自轉(zhuǎn)曲線 → 距離 限制 氣體云的轉(zhuǎn)動(dòng)是非圓的，在圓運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還有無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)。,CO分子輻射的強(qiáng)度與視向速度分布,譜線位移→距離→分子云的分布,longitude,藍(lán)移,紅移,latitude,(3) 觀測(cè)結(jié)果,銀河系的旋臂結(jié)構(gòu) 天鵝 (Cygnus) 臂 英仙 (Perseus) 臂 獵戶 (Orion) 臂 人馬 (Sagittarius) 臂盾牌－南十字臂(Scu

12、tum-Crux arm)矩尺(Norma)臂太陽(yáng)位于獵戶臂上,銀河系的旋臂結(jié)構(gòu),Perseus ArmCygnus Arm,Norma ArmScutum-Crux Arm Sagittarius Arm,Orion Arm,,,,,,,問題：,銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)是怎樣形成的？旋渦結(jié)構(gòu)為什么能維持很長(zhǎng)時(shí)間？（在銀河系和其他盤星系中發(fā)現(xiàn)旋臂存在說(shuō)明旋臂的維持時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)）,3. 旋臂的理論解釋,旋臂不是物質(zhì)臂 如果旋臂始終

13、由同樣的物質(zhì)構(gòu)成：太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期 ~2×108 yr，太陽(yáng)年齡 ~5×109 yr→ 太陽(yáng)繞銀心至少轉(zhuǎn)了20圈較差轉(zhuǎn)動(dòng) → 旋臂纏繞（或放松） →旋臂消失表征旋臂的主要是年輕天體大質(zhì)量恒星的壽命≤107 yr→ 旋臂消失,,生活中的密度波,,密度波形成原因：物質(zhì)趨向于最低能態(tài) ? 軌道收縮 ? 角動(dòng)量損失（通過(guò)密度波傳遞角動(dòng)量）密度波維持機(jī)制——自組織(self-organization)過(guò)程,軌

14、道耦合,密度增加,引力勢(shì)變化,物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化,軌道耦合增強(qiáng),,,,,,旋臂的運(yùn)動(dòng) 密度波旋渦圖樣繞銀心剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，ω= 13.5 kms-1kpc-1 在銀河系內(nèi)區(qū)天體的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)旋渦圖樣速度(ω0= 25 kms-1kpc-1)；在外區(qū)天體比旋渦圖樣運(yùn)動(dòng)得更慢。,旋臂上年輕天體的形成 氣體云運(yùn)動(dòng)→接近旋臂 →壓縮、碰撞→塵埃帶 →氣體云坍縮 →恒星和HII區(qū)形成,旋臂上的恒星形成與演

15、化,旋臂乃是恒星密集之處, 恒星只是旋臂中的匆匆過(guò)客.,銀心和銀暈,1. 核球 (bulge)與銀心 (Galactic center),(1) 特點(diǎn) 銀心在人馬座方向，核球呈橢球形，大小 約 6×4 kpc，恒星分布十分密集，數(shù)密度~ 1,600 ly-3, 是銀河系平均恒星密度的105倍。,Red: 1-3 keV Green: 3-5 keV Blue: 5-8 keV,X射線觀測(cè),Chandra X-r

16、ay Survey of the Galactic Center,Summary,,100 kpc,1 kpc,,,,100 pc,1 pc,銀河系中心的10倍放大想象圖,2. 銀暈 (the Galactic halo),(1) 球狀星團(tuán) 年老的星族II恒星、以銀心為中心球狀分布， 在橢圓軌道上繞銀心旋轉(zhuǎn)（V~100 kms-1），離銀心最遠(yuǎn)距離達(dá)100 kpc。,(2) 熱氣體,彌漫的X射線輻射表明在銀暈中存在大量的熱氣體。

17、,熱氣體暈（X射線）,恒星（光學(xué)）,,,NGC 4631,(3) 暗物質(zhì) (dark matter),由銀河系的自轉(zhuǎn)曲線得知，銀暈中的不可見物質(zhì)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銀河系可見物質(zhì)質(zhì)量。暗物質(zhì)的特征：在所有波段都不產(chǎn)生輻射，僅有引力作用。暗物質(zhì)的可能成分 ：①M(fèi)ACHOs (Massive Compact Halo Objects)brown dwarfs, planets, neutron stars, black holes et

18、c ②WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) little weak subatomic non-baryonic matter,河外星系,一、 星系的形態(tài)和分類,1. 河外星系的發(fā)現(xiàn) 1750年，英國(guó)教士賴特提出銀河是恒星系統(tǒng)。1755年，康德指出旋渦星云的扁平形態(tài)是由于轉(zhuǎn)動(dòng)引起的，它們是和銀河類似的 “宇宙島”（island universes) 。,哈勃的裁決,192

19、4年，哈勃 (Edwin Hubble) 分解出“仙女座大星云” (M31) 中的造父變星， 證實(shí)它確實(shí)是恒星系統(tǒng)。由造父變星周光關(guān)系哈勃估計(jì)M31的距離285 kpc（實(shí)際距離770 kpc） > 最遠(yuǎn)的球狀星團(tuán)的距離 (100 kpc) 。,,因此“仙女座大星云”必定是河外星系 !,2. 星系的哈勃分類,根據(jù)星系形態(tài)的不同，哈勃首先提出星系可以分為橢圓星系、透鏡狀星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系5種類型，稱為哈勃分類。,

20、The Hubble Sequence, or The Hubble Tuning Fork,(2) 旋渦星系 (Spiral galaxies),具有旋渦結(jié)構(gòu)的星系，符號(hào)為S。 中心是球狀或橢球狀的核球，外面是扁平的星系盤。從核球兩端延伸出兩條或兩條以上螺旋狀旋臂疊加在星系盤上，盤外面是球狀的星系暈。星系盤顏色偏藍(lán)，星系暈和核偏紅。(近似銀河系)在星系盤、特別是旋臂上主要是星族I恒星以及氣體和塵埃，核球和星系暈主要由星族Ⅱ恒星組

21、成。,－21 < MV < －17,(3) 棒旋星系 (Barred spiral galaxies),中心有棒狀結(jié)構(gòu)的旋渦星系，符號(hào)為SB。 旋臂源于棒的兩端。 按照棒的大小和旋臂的纏卷程度，棒旋星系可以分為SBa, SBb, SBc三個(gè)次型。其中SBa型棒最大，旋臂纏卷最緊。 銀河系可能是一個(gè)SBb或SBc型星系。,(4) 透鏡狀星系(Lenticular galaxies),介于橢圓星系和旋渦星系之間的、無(wú)旋臂的

22、盤星系，根據(jù)核心是否有棒狀結(jié)構(gòu)，符號(hào)相應(yīng)為S0或SB0。 在形態(tài)上，透鏡狀星系與旋渦星系的主要差別是沒有旋臂；與橢圓星系的主要差別是有星系盤。 主要由年老恒星組成，氣體很少。,(5)不規(guī)則星系(Irregular galaxies),外型或結(jié)構(gòu)無(wú)明顯對(duì)稱性的星系，符號(hào)為Irr。 無(wú)旋臂和中心核區(qū)。 富含星際氣體、塵埃和年輕恒星。,M82,IC5152,－18 < MV < －10,小結(jié),3. Numbers of g

23、alaxies,There are around 4×1010 galaxies in the observable universe.Over 60% of galaxies are elliptical, fewer than 30% are spiral, and fewer than 15% are irregular.,二、星系的測(cè)量,星系距離的測(cè)量 (1) The Cepheid variable method

24、最遠(yuǎn)距離：~20 Mpc(2) The standard candle method通過(guò)比較星系中可證認(rèn)的某些標(biāo)準(zhǔn)（明亮）天體的視星等和絕對(duì)星等來(lái)確定星系的距離。特點(diǎn)：光度高且基本恒定。,星系M100中的造父變星,The Luminosity Function of Globular Clusters and Planetary Nebulae,LF-the fraction of objects per magnitude

25、having absolute magnitudes in the interval (M, M+dM).,(3) The velocity dispersion – luminosity relation method for galaxies,The Tully-Fisher relation對(duì)旋渦星系，速度彌散s = 220×(L /L⊙)0.22H原子21厘米譜線寬度?速度彌散?光度?~ 200 Mpc距離 T

26、he Faber-Jackson relation對(duì)橢圓星系，速度彌散 s = 220×(L /L⊙)0.25,Explanation for the s-L Relation,星系質(zhì)量越大 → 恒星運(yùn)動(dòng)速度越快 → 速度彌散越大→ 譜線越寬 星系質(zhì)量越大 → 光度越高→ 光度?譜線寬度,The Distance Ladder,(4) The Redshift method,1912-1920年，V. M. Sl

27、ipher通過(guò)測(cè)量旋渦星系譜線的Doppler位移發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的星系具有譜線紅移，即它們正在遠(yuǎn)離銀河系。,一些星系的距離、CaII的H、 K譜線和退行速度,1929年Hubble與Humason發(fā)現(xiàn)由星系譜線紅移得到的星系退行速度V與星系的距離D成正比，稱為哈勃定律 V＝H0×D其中哈勃常數(shù)H0＝72±7 kms-1Mpc-1,Hubble Humason,The Hubble’s

28、Law,哈勃定律的意義,哈勃定律反映了宇宙的膨脹 由宇宙膨脹引起的星系的譜線紅移稱為宇宙學(xué)紅移 (cosmological redshift)。星系的距離D＝V/H0如果宇宙的膨脹是均勻的，可以確定：宇宙的年齡 t＝D/V＝1/H0 星系的退行表明在過(guò)去它們必定離得很近 ?宇宙膨脹的起點(diǎn)是什么？,利用星系紅移測(cè)量星系的距離,2. 星系質(zhì)量的測(cè)量,(1) Rotation curves

29、 for spiral galaxies 譜線位移 →自轉(zhuǎn)速度 →質(zhì)量,星系 NGC 247：藍(lán)色和紅色分別表示恒星和HII 區(qū)的輻射自轉(zhuǎn)曲線：實(shí)心和空心點(diǎn)分別代表HII 區(qū)和HI 區(qū)，實(shí)線代表只考慮可見物質(zhì)的自轉(zhuǎn)曲線,(2) Velocity dispersions for elliptical galaxies譜線位移 →平均無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)速度 → 質(zhì)量類似地，對(duì)星系團(tuán)譜線位移 → 星系的運(yùn)動(dòng)速度 +星系間的距離 →

30、星系團(tuán)（引力）質(zhì)量,(3) X-ray halos of ellipticalsX射線衛(wèi)星觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在部分橢圓星系周圍存在大量的熱氣體（溫度 ~ 107 - 108 K，密度 ~ 1 cm-3 ）。X射線輻射→氣體溫度→熱運(yùn)動(dòng)速度（<當(dāng)?shù)靥右菟俣龋?→引力質(zhì)量,,,,室女星系團(tuán) M87, M86, M84,The Mass-Light Ratio,The M-L ratio indicates the average mass

31、per unit energy output from the galaxy.Usually in units of solar masses and luminosities,(4) 測(cè)量結(jié)果,正常旋渦星系質(zhì)量~ 109 -1012 M⊙橢圓星系質(zhì)量~ 105 -1013 M⊙不規(guī)則星系質(zhì)量~ 106 -1010 M⊙星系團(tuán)質(zhì)量~ 1013 -1014 M⊙星系和星系團(tuán)的引力質(zhì)量大約是可見質(zhì)量的10倍。,小結(jié)：星系的基本性質(zhì)

32、,三、 星系集團(tuán),Galaxies are not distributed uniformly throughout space -- most are evidently held together by gravity due to dark matter between the galaxies.Systems of galaxies Binary galaxies（雙重星系 ） Multiple galaxies（多

33、重星系 ） Groups of galaxies（星系群 ） Clusters of galaxies（星系團(tuán) ） Superclusters of galaxies（超星系團(tuán) ）The larger a given system, the less its density exceeds the mean density of the Universe.,1. The Local Group（本星系群 ）,The ga

34、laxy cluster includes the Milky Way galaxy, with size of ~1.2 Mpc.There are at least 40 galaxies in the Local Group, three of them are spirals, four irregulars and more than 20 ellipticals.,The Milky Way galaxy and Andr

35、omeda (M31) are the largest members, and most of the smaller galaxies are gravitationally bound to one or the other of them.,Spatial Distribution of the Local Group,(2) The Andromeda galaxy (M31),The largest galaxy in t

36、he Local group, with distance of ~770 kpc and diameter of ~60 kpc. Type Sb spiral galaxyIt has seven satellites, all are ellipticals.,The Andromeda Galaxy and two of its satellite galaxies, M32 (left) and M110 (bottom

37、right.),(3) The M33 galaxy,The third largest galaxy in the Local Group, with distance of ~720 kpc and diameter of ~18 kpc. Type Sc spiral galaxy.Large amounts of Pop I objects.,2. Clusters of Galaxies,CL1358+62,A colle

38、ction of galaxies containing at least 50 bright galaxies.,Irregular Cluster of Galaxies,Virgo Cluster, the nearest cluster of galaxies.Distance around 18 Mpc, diameter ~3 Mpc.Consists of more than 2500 galaxies.A dens

39、e central region containing early type galaxies surrounded by a more extended distribution of mainly spiral galaxies.,The central region of the Virgo cluster,Regular Clusters of Galaxies,Coma ClusterDistance ~ 90 Mpc an

40、d diameter ~ 3 Mpc.Contains ~6700 galaxies, most are spirals and others are ellipticals.,There are thousands of galaxies in the Coma cluster.,There are less than 100 galaxies in the Herculus cluster.,Rich and Poor Clus

41、ters of Galaxies,Masses of clusters of galaxiesThe motion of galaxies in a cluster prevents the collapse of the cluster. M ~ RV2/GFor a typical rich cluster：R ~ 1 Mpc, V ~ 1000 km/s → M ~ 2×1014 M⊙A cluste

42、r usually contains ~ 1000 galaxies, each galaxy has a typical luminosity ~ 1010 L⊙→ The mass-light ratio M/L ~ 20 M⊙/L⊙→ Dark matter contributes ~ 95% of the cluster’s mass！,Hot gas in and around elliptical galaxies

43、is taken as solid evidence for the presence of dark matter.,星系A(chǔ)bell 2390（上）和MS2137.3-2353 （下）的X射線（左）與光學(xué)（右）像。氣體與恒星的質(zhì)量?jī)H為束縛氣體所需質(zhì)量的13%,Dark Matter and Gravitational Lensing,CL0025+1654,3. Galaxy interaction,→ denser distribu

44、tion of galaxies in clusters→ more likely to collide,Hubble deep field (HDF) observations found lots of young, irregular, small galaxies at distance of 103 Mpc.This means that galaxy collisions were very popular 10 bil

45、lions years ago.,Galaxy Interactions and Evolution,(1) Distortion and starburst Tidal force →intergalactic bridges and tails Gas compression→rapid star formation,Stefan's Quintet,M51: Spiral Structure, Dust

46、 and Stars,Numerical simulation results,NGC 4676a/b,The Cartwheel Galaxy,NGC 4038/9 (Antennae),Starburst Galaxy M 82,X-ray,Optical,Large clusters of stars and luminous X-ray sources,Hubble's Advanced Camera Unveils a

47、 Panoramic New View of the Universe,The Tadpole Galaxy, UGC 10214,The Mice, NGC 4676,星系團(tuán)MS1054-93中的星系碰撞過(guò)程,4. Superclusters,Consisting of tens or hundreds of clusters of galaxies.Size roughly of 100 Mpc, masses around 10

48、16 M⊙.Expanding or loosely bound because of relatively weak mutual gravitation. Distribute as a continuous network, where the large clusters are connected by walls and strings formed by smaller systems.,The Local Super

49、cluster,The supercluster that include the Local Group. Centered around the Virgo cluster, radius of 30 Mpc.,The Local Supercluster,Mass ~ 1015 M⊙Flat shapeMoving towards the Virgo cluster at a speed of 250-350 kms-1,D

50、istribution of 9325 galaxies,,The Large Scale Structure in the Universe,Obtained through large scale（>100 Mpc）galaxy redshift survey. Simultaneously observe the spectra of thousands of galaxies to measure their dista

51、nces.,The galaxies are distributed in a kind of "foamy" texture consisting of huge sheets and filaments of galaxies (occupying 1%-2% space) separated by large "voids" where very few galaxies are found

52、. The typical diameters of the voids are 50 - 100 million light years.,The Great Wall,,The first slice of a survey of the universe, covering 1057 galaxies out to an approximate distance of 200 Mpc,Two Degree Field (2dF)

53、Redshift Survey,,250 Mly,四、 星系的演化,1. Formation of galaxies What were the first sources of light in the Universe?How did the Hubble sequence of galaxy morphologies form?How do galaxies interact with their environment?

54、What are the global histories of star-formation, metal enrichment, and gas consumption?What is the relationship between active galactic nuclei and their host galaxies?,z = 1000,z = 0,,,兩種模型,(1) 自下而上（bottom-up）模型較小的（~10

55、6 M⊙）、不規(guī)則星系首先形成。 星系合并形成較大的（~109-1011 M⊙）星系。 在引力的作用下聚集成星系團(tuán)和超星系團(tuán)，產(chǎn)生星系團(tuán)間的巨洞。,,(2) 由上而下 模型（top-down）,原始?xì)怏w的坍縮首先產(chǎn)生巨大的（~1014M⊙）、薄餅狀的云塊（超星系團(tuán)）。 云塊分裂成星系團(tuán)和星系。,Lecture X Cosmology,膨脹宇宙,1. 牛頓宇宙觀宇宙是永恒的、穩(wěn)定的問題：物質(zhì)→引力→宇宙坍縮,可能的解決途徑：

56、(1) 宇宙在空間和質(zhì)量上是無(wú)限大的；(2) 宇宙在膨脹；(3) 宇宙有起點(diǎn)和終點(diǎn)。(2)、(3)點(diǎn)違反宇宙永恒與穩(wěn)定的性質(zhì)，于是牛頓認(rèn)為宇宙應(yīng)該是無(wú)限的。,絕對(duì)空間，就其本性而論與任何外界情況無(wú)關(guān)，始終保持相似和不變。,Isaac Newton,Olbers’s Paradox,If the universe is infinite, unchanging, and uniformly populated with stars

57、 like the Sun.→Each line of sight must eventually encounter a star.→The entire night sky should be as brilliant as the surface of the Sun.,假設(shè)恒星數(shù)密度為n，則距離為 r 到r + dr 球殼內(nèi)恒星數(shù)目為,令每顆恒星的光度為L(zhǎng)，在地球上接收到殼層內(nèi)一顆恒星的輻射流量為,宇宙中所有恒星照射到地球

58、上的輻射應(yīng)該從0到無(wú)窮，于是總的輻射流量為,積累的星光使得黑夜應(yīng)該亮如白晝！。,2. The Cosmological Principal （宇宙學(xué)原理）,(1) The universe is homogeneous on scales greater than a few hundred megaparsecs→No edge to the universe,約100萬(wàn)個(gè)星系在30 度天空范圍和20億光年距離內(nèi)的分布,(2) T

59、he universe is isotropic→No center of the universe,Robertson-Walker度規(guī),滿足宇宙學(xué)原理的時(shí)空度規(guī)必可化為如下形式,其中r, θ,φ為共動(dòng)坐標(biāo)，r為共動(dòng)徑向坐標(biāo)，不隨時(shí)間變化，t 為宇宙時(shí)(cosmic time)，k ＝1, 0, －1分別對(duì)應(yīng)于閉合宇宙、平坦宇宙和開放宇宙。R(t)稱為宇宙尺度因子(cosmic scale factor)。,3. 膨脹宇宙模型,19

60、17年Einstein將廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程應(yīng)用于宇宙的結(jié)構(gòu)，其中Λ為宇宙學(xué)常數(shù)，Tmn為宇宙介質(zhì)的能量動(dòng)量張量。在假設(shè)宇宙是無(wú)限大的、均勻的前提下，Einstein發(fā)現(xiàn)方程的解是不穩(wěn)定的，表明宇宙在膨脹或者收縮。 Einstein認(rèn)為宇宙應(yīng)該是永恒的、穩(wěn)定的。為求引力場(chǎng)方程的均勻的和各向同性的解， Einstein加入一個(gè)起斥力作用“宇宙學(xué)常數(shù)”(cosmological constant) Λ， 得到一個(gè)靜態(tài)宇宙

61、模型（有限無(wú)邊，沒有中心）。,Friedman膨脹宇宙模型,1922年，俄國(guó)數(shù)學(xué)家A. Friedman求得不含“宇宙常數(shù)”項(xiàng)的引力場(chǎng)方程的均勻的和各向同性的通解。由Einstein場(chǎng)方程可以得到第(2) 式可化為 稱為Friedman方程。它表示宇宙的膨脹實(shí)際上由三項(xiàng)來(lái)共同驅(qū)動(dòng)：物質(zhì)項(xiàng)、宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)和曲率項(xiàng)。,A. Friedman,Friedman膨脹宇宙模型,在該模型中Λ= 0宇宙是膨脹

62、的，膨脹宇宙的演化取決于宇宙中的物質(zhì)自引力或密度ρ的大小宇宙總能量,當(dāng)ρ = ρc = 3H2/(8pG) ≈ 9×10-30 gcm-3時(shí)，E = 0,定義宇宙密度參數(shù)WM = r /rcWL = L/(3H 2rc )Wk = -k/(R2 H 2)Friedman方程可以表示為,1 = ΩM + ΩΛ + Ωk = Ω0 + Ωk,Geometry of the Universe,Ω0 > 1,

63、Ωk 0, 正曲率，封閉宇宙。Ω0 = 1, Ωk = 0，k = 0, 零曲率，平直宇宙。Ω0 0，k < 0, 負(fù)曲率，開放宇宙。,宇宙的未來(lái),Ω0 > 1, 束縛宇宙，膨脹→收縮Ω0 < 1, 開放宇宙，無(wú)限膨脹Ω0 = 1, 臨界束縛宇宙，無(wú)限膨脹,熱死亡/振蕩,冷死亡,,,,觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射的漲落表明宇宙的位形是平直的，即 Wk = 0, W0 = 1.,宇宙的年齡,宇宙的年齡取決于哈

64、勃常數(shù)的大小及其隨時(shí)間的變化，和宇宙內(nèi)物質(zhì)密度的大小如果 H0 ≈ 71 km/s/Mpc(1) Ω0 = 0 , V不隨時(shí)間變化， t =1/ H0 ≈ 140 億年，(2) Ω0 = 1 , t =2/3H0 ≈ 90 億年，(3) Ω0 > 1 , t < 90 億年。,,,Lemaitre的原始原子理論,1927年，比利時(shí)教士和天文學(xué)家G. Lematire重新求得Einstein引力場(chǎng)方程的Friedma

65、n解。Lematire指出哈勃觀測(cè)到的宇宙膨脹現(xiàn)象正是Einstein引力場(chǎng)方程所預(yù)言的。因此，過(guò)去的宇宙必定比今天的宇宙占有更小的空間的尺度。并且，宇宙有一個(gè)起始之點(diǎn)，稱為“原始原子”。,Abbe George LeMaitre,大爆炸宇宙學(xué) (The Big Bang Cosmology),1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源于約100-150億年前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空間的膨脹，物質(zhì)則隨著空間膨脹（

66、宇宙是無(wú)中心的）。隨著宇宙膨脹和溫度降低，構(gòu)成物質(zhì)的原初元素相繼形成 。,George Gamov,奧伯斯佯謬的現(xiàn)代解釋,每顆恒星僅在有限的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生輻射。宇宙的年齡不是無(wú)限的，遙遠(yuǎn)恒星的光子迄今尚未到達(dá)地球 。我們只可能觀測(cè)到宇宙視界（天體的退行速度達(dá)到光速處）內(nèi)的天體的輻射。由于宇宙膨脹，星系在離我們遠(yuǎn)去，發(fā)出的光子發(fā)生紅移。,4. 宇宙的加速膨脹與暗能量,由于物質(zhì)（引力）的存在，宇宙的膨脹應(yīng)該減慢。宇宙減速因子 (dec

67、eleration factor)q > 0 表示宇宙的膨脹在不斷減速。,對(duì)高紅移Ia型超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹。造成今天宇宙加速膨脹的必定是某種超過(guò)引力的長(zhǎng)程斥力，這正是宇宙學(xué)常數(shù)當(dāng)初被引進(jìn)的作用，即Λ≠0。天文學(xué)家稱它為暗能量 (dark energy)。,綜合高紅移超新星與宇宙微波背景輻射的觀測(cè)可以估計(jì)暗能量的大小。,宇宙中的成分,宇宙中最可能的能量分布是ΩM ≈ 0.3, ΩΛ ≈ 0.7.,宇宙微波背

68、景輻射,1. DiscoveryThe Big Bang theory predicts that the early universe was a very hot place and that as it expands, the gas within it cools. Thus the universe should be filled with radiation that is literally the remnant

69、 heat left over from the Big Bang, called the “cosmic microwave background radiation”, or CMBR.,In 1948 Alpher and Herman predicted the CMBR at a temperature of 5 K.In 1964 Peebles obtained the blackbody temperature of

70、10 K. Dicke, Peebles, Roll, and Wilkinson planned searching for the relic radiation.In 1964 Arno Penzias and Robert Wilson detected homogeneous 3.5 K blackbody radiation at the wavelength of 7.35 cm. This was proved to