物理宇宙学-----基础知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,物理宇宙学,-,基础知识,宇宙年龄的测定,宇宙距离的测定,Hubble,常数,宇宙物质的测定,宇宙中的物质组成,宇宙年龄的测定,寻找年老的物体，测量其年龄，以此来估算,宇宙年龄的下限,放射性元素衰变,主序星演化（球状星团）,白矮星冷却（球状星团）,放射性元素衰变,Generic Radiometric Dating,已知原初放射性元素丰度为,P,orig,（,Parent isotopes),当前此元素的丰度为,P,now,则,这里,1/2,为元素半衰期，,t,为年龄,如果衰变产生出的元素（,Daughter isotopes)D,的原初丰度为零，,则,上述方法包含的假设：,D,元素的原初丰度为,0,没有,P,元素或,D,元素逃离或进入样品,如果一个样品不满足上述假设，则用此方法,定出的年龄将不准确,Isochrone,Methodology,符号：,P parent isotope,D daughter isotope,D,i,non-radiogenic isotope of D,（,不能够在,P,衰变中产生）,岩石,(rocks),或陨石,(meteorites),在固化之前，,各处元素的组成是均匀的,在固化过程中，各种元素分开。对于同一种元素，,D/,D,i,为常数,水平线表示零年龄,随着时间的演化，,P,元素衰变产生,D,元素,不同样品,P,衰变的百分比,是相同的，因此各样品,的组成仍在一条直线上。,直线的斜率随时间增大。,很明显，直线的斜率为,斜率,=,新增加的（,D/,D,i,)/,剩余的,(P/,D,i,),新产生的,D=,剩余的,P=,于是：斜率,=,Isotopes used for,isochrone,dating,P D,D,i,half-life(*10,9,year),87,Rb,87,Sr,86,Sr 48.8,40,K,40,Ar,36,Ar 1.25,147,Sm,143,Nd,144,Nd 109,176,Lu,176,Hf,177,Hf 35.9187,Re,187,Os,186,Os 43,232,Th,208,Pb,204,Pb 14,238,U,206,Pb,204,Pb 4.47,地球表面的,rocks:t 3.8*10,9,年,太阳系陨石：,t 4.56*10,9,年,www.talkorigins.org/faqs/isochron-dating.html,Metal poor old stars:,(1).neutron-capture processes produce heavy elements;,(2).compare the observed stellar abundance ratio e.g.,N,Th/N,Eu,with theoretical estimates of the initial value,of the ratio at the time of formation of these elements;,(3).with the half-life time of radioactive elements,such as,Thorium,the age of Galaxy can be estimated.,年老的恒星：,CS 22892-052 and HD 115444,t 15.6+/-4.6,Gyr,(,Th/Eu,),(Thorium/Europium:,钍,/,铕）,(Cowan et al.1999,ApJ,521,194),CS31082-001,12.5+/-3,Gyr,(,Cayrel,et al.,2001,Nature,409,691-692),14.1+/-2.5,Gyr,(,Wanajo,et al.2002,ApJ,577,853),球状星团的年龄,球状星团：引力束缚系统，,10,3,10,6,恒,星,大小：几十,-200,光年,年老的恒星，低金属丰度,星团中的恒星,同时诞生；,金属丰度均匀。,大质量恒星主序星,寿命短,星团的颜色随着时间的,推移而变红,根据主序星演化理论，可以计算残存主序星最大绝对,光度,(turnoff point),。,它与星团的年龄，金属丰度,相关。通过测量,turnoff point,的视星等，星团的距离，,金属丰度，便可估计球状星团的年龄。,M,V,(TO):turnoff point,绝对光度,Fe/H:,金属丰度,t:,年龄,注意：,球状星团平均年龄：,1016,Gyr,可能的问题：依赖模型,依赖距离,不依赖于距离：,白矮星的冷却,恒星演化后期，外围物质被抛散，剩下的,中心核区。电子简并压抵抗引力。,没有能源，逐渐冷却、变暗。,观测球状星团中白矮星的光度函数，,即数目随光度的分布，则最暗的光度可以告诉我们,星团的年龄,理论上推导光度函数的基本关系式,：星团形成的年龄,t,nucl,:,前身星核反应进行的时间，为质量,M,的函数,T,o,:,星团现在的年龄,t,cool,:,白矮星冷却时间，为质量,m,和光度,l,的函数,*,能够形成白矮星的前身星的质量范围是有限的,白矮星累计光度函数,暗端的拐点的光度,依赖于星团的年龄,球状星团,M4(HST observations),t 12.1,Gyr,95%CL lower limit,10.1Gyr,Hansen et al.,astro-ph/0401443,ApJS,155,551(2004),宇宙年龄,以上方法给出的年龄是宇宙年龄的下限。,宇宙的年龄必须大于这些测量值,Hubble:H,0,500 km/,s/Mpc,t 2*10,9,年,age crisis:steady state universe,九十年代中期,H,0,80 km/,s/Mpc,对于物质为主的平坦宇宙，,t=2/3*H,0,-1,5M,sun,stars B:445nm I:806nm,P 1 day V:551nm K:2190nm,可测：,20Mpc R:658nm,周期,-,光度关系,W,Virginis,stars,low mass,metal poor,物理性质接近,RR,Lyrae,周期,0.8d30 d,接近,Classical Cepheid,其周期,-,光度关系没有,Classical Cepheid,那样紧密,RR,Lyrae,HB stars,old,relatively metal-poor,M 1M,sun,周期,p1 day,可测距离：,1,Mpc,PL:,Tully-Fisher,关系,亮的星系旋转的快,漩涡星系旋转的快慢与星系绝对亮度的关系,R.B.Tully&J.R.Fisher 1977,A&A,54,661,旋转速度可以从谱线的宽度估计出,1.,近处距离已知的星系：,Local Group,M81,M101,2.,星系团中的星系,:Virgo Cluster,团中的星系具有相同的距离,-,视亮度,旋,转速度关系 与,绝对亮度,旋,转速度关系 等价,近处星系,Virgo Cluster,将上面两幅图叠放在一起，可以定出,Virgo Cluster,的距离：,d=13.2 +-1Mpc,今天,d=14.6+-0.3,Mpc,通过测量谱线的,Doppler,效应，旋转速度,可被测量。,测距：测量旋转速度,Tully-Fisher,关系,-,绝对光度,测量视亮度,-,距离,需要定标,(calibration),可测距离,200,Mpc,误差：,0.25,mag,-,12%in distance,*,椭球星系：,(Faber-Jackson,关系）,为速度弥散,fundamental plane(FP)400,Mpc,Tully-Fisher Relation at High,RedshiftType,Ia,Supernova,白矮星质量超过,Chandrasekhar,质量极限（,1.4,M,sun,),，,电子简并压不能抵抗引力，星体塌缩，引起,核区碳元素爆发性燃烧，导致白矮星的毁灭。,Type,Ia,Supernova,物理图象：在一个双星系统中，致密白矮星,吸积其伴星的物质，使得,光变曲线,早期：最大亮度作为标准烛光,进展：最大亮度与光变曲线的衰减率相关,利用这一相关，,可以更准确地,确定,SNe,Ia,的,光度,进而定出,距离,SNe,Ia,rate(1SNu=1SN per century per 10,10,L,Bsun,),(R.Pain et al.2002,ApJ,577,120),(Hardin,D.et al.2000,A&A,362,419),(,Cappellaro,E.et al.1999,A&A,351,459),SNe,Ia,亮，可用来测很远的距离,近年来，,SNe,Ia,成为宇宙学研究的热点,它为宇宙加速膨胀提供了直接的观测证据，,从而引出了负压物质,暗能量存在的必要性,Gravitational,lensing,effect,引力透镜效应,爱因斯坦广义相对论：光线在引力场中弯曲,Feb.2004 news release,Farthest known galaxy in the Universe discovered,HUBBLE EUROPEAN SPACE AGENCY INFORMATION CENTRE,Posted:February 15,2004,Abell,2218 galaxy z 7,A new galaxy(split into two,images marked with an,ellipse and a circle)was,detected in this image taken,with the Advanced Camera,for Surveys onboard the,NASA/ESA Hubble Space,Telescope.The extremely,faint galaxy is so far away,that its visible light has,been stretched into infrared,wavelengths,making the,observations particularly difficult.,Credit:European Space Agency,NASA,J.-P.,Kneib,(,Observatoire,Midi-Pyrenees)and R.Ellis(Caltech),gravitational,lensing,effect,背景源发出的光受到前景物质的引力作用发生弯曲，,使得背景源的亮度发生变化，形状改变强引力透镜效应可以产生多重像,对于不同的像，它们的光的路径是不同的如果源,本身具有随时间的变化性，那么不同的像随时的变化,存在时间差测量这一时间差，便可以测量源到我们,我们的距离,时间差近似可以写为,这里为源的距离，,为偏转角。偏转角的,大小取决于引力源的物质分布。,结合光源的红移,，这种方法可以定出,Hubble,常数,Hjorth,et al.2002,ApJ,572,L11,The,Time,Delay,of the Quadruple,Quasar,RX J0911.4+0551,Butud,et al.2002,A&A,391,481,Time,delay,and,lens,redshift,for the doubly imaged BAL,quasar,SBS 1520+530,Schechter,P.astro-ph/0408338,The Hubble constant from gravitational lens time delays,Discovery of a Fifth Image of the Large Separation Gravitationally,Lensed,Quasar SDSS J1004+4112,N.Inada et al.2005,astro-ph/0503310,A-D:images,G1-G3:galaxies in the,lensing,cluster,Quite possibly,there is another(fifth)image near G1,Clusters SZ effect+X-ray,星系团：,10,14,10,15,M,sun,几百几千个星系,弥漫着电离了的热气体温度,热气体发出,热电子与光子散射，使得黑体谱,受到扭曲,：,：,积分沿着视线方向,那么,这里为沿着视线方向的星系团的尺度，,f(T),为,温度的函数,假设星系团是球对称的，则沿视线方向的尺度,与垂直视线的尺度是一样的于是通过测量到的,星系团的角直径，可以定出星系团的距离,(,角直径距离）,Reese,E.et al.2002,ApJ,581,53,Determining the Cosmic Distance Scale from,Interferometric,Measurements of the,Sunyaev-Zeldovich,Effect,Hubble constant,近距离：,速度可通过测量谱线的,Doppler,效应得到，,于是测量,的关键在于准确测量距离,Freedman,W.L.et al.2001,ApJ,553,47,Final Results from the Hubble Space Telescope,Key Project to Measure the Hubble ConstantHubble Space Key Project(11 years,to 2001):,800 Cepheid variable stars in 18 galaxies,out to 20,Mpc,secondary distances methods out to 400,Mpc,with,Cepheid calibrations,Cepheid PL relation:zero point determined by the distance,to LMC(,大麦哲伦云）,Secondary methods(Tully-Fisher,FP,SNe,Ia,SNe,II,surface brightness fluctuation):,calibrated with Cepheid distances,Distances determined by secondary methods out to large distances,通常,Hubble,常数写为：,宇宙物质密度的测定,M:,星系质量,(,代表宇宙平均组成的天体）,L:,星系光度,V:,体积,N:V,内含有的星系个数,平均密度,利用光度，平均密度可写为,这里,M/L,称为质光比。宇宙中的平均光密度（,blue),L,sun,为太阳光度,以太阳质量,M,sun,为,M,的单位，太阳光度,L,sun,为,光度单位，则,这里质光比,M/L,以（,M,sun,/L,sun,),为单位,利用,Hubble,常数，定义,c,称为临界密度。其物理意义为：当宇宙密度,为,c,时，宇宙曲率为零，即为平坦宇宙。,宇宙密度通常以,c,为单位，则,质光比的测量,动力学方法,Spiral galaxies-,旋转曲线,假设物质为球对称分布，,则,这里,v,为旋转速度，,M,为,半径,r,内的质量,细致模型：,核球,+,盘,+,球对称晕,Elliptical galaxies,Virial,theorem(,维里定理）,推导参见“物理宇宙学讲义”,p52,这里动能：,以上,为,星系内粒子,(,如恒星）的速度弥散，,/,为视向方向速度弥散（这是可测量的量）。,这里假设速度弥散是各向同性的。,为,2,的质量加权平均值。,引力势能为,引入有效半径,R,eff,则,M,为待确定的星系质量,则,Groups of galaxies,Clusters of galaxies,Virial,Theorem,暗物质概念的引入,Coma:,Zwicky,(1937,ApJ,86,217),Virial,Theorem:M Rv,s,2,/G,where,v,s,is the mass-weighted velocity,of galaxies in the cluster,R is the size,of the cluster,and G is the gravitational,constant,v,s,2,=5,10,15,cm,2,/s,2,R 2 10,6,light year 0.67,Mpc,M,5,10,13,M,sun,气体动力学,星系团，大的椭球星系中弥漫着热气体。,通过,X-ray,的观测，可以定出温度。温度,反映了气体的热运动能。利用动力学,平衡方程，可估算系统的质量,x-ray optical radio,Gravitational,Lensing,Effect,（,引力透镜效应）,引力透镜效应直接与物质分布相关，因此,可以用来测量质量。,强引力透镜效应：星系、星系团 中心区的质量分布,弱引力透镜效应星系团外围的物质分布,统计分析,宇宙中大尺度结构的形成与宇宙中物质的,含量及组成密切相关。因此，通过观测,大尺度结构的空间分布及时间演化，可以,对宇宙中的物质组成给出限制,例如：星系的空间分布,两点相关函数,星系团的形成与演化,Fan&,Chiueh,2001,ApJ,550,547,结果,0.3,的组成,暗物质为主,宇宙物质组成,宇宙总物质含量是否为？,宇宙的几何和膨胀规律与其间物质组成,密切相关,超新星观测表明宇宙在加速膨胀,微波背景不均匀性的观测表明宇宙非常接近,平坦状态,第一个峰值的位置近似为,R,sound,近似不变,D,为从我们到最后,散射面的距离,=1,的宇宙：,l,peak,200,1,的宇宙：,l,peak,增大,观测发现,l,peak,200,宇宙物质组成,happy face or sad face,you choose!,dark matter,dark energy,Interesting paper to read,Expanding Confusion:Common Misconceptions of,Cosmological Horizons and the Superluminal,Expansion of the Universe,T.M.Davis&C.H.,Lineweaver,2004,PASA,21,97,,www.astro.uclaedu/wright/CosmoCalc.html,Kolb,E.W.&Turner,M.S.,The Early Universe,Addison-Wesley,1990,Peebles,P.J.E.,The Large-Scale Structure of the Universe,Princeton,1980,Peebles,P.J.E.,Principles of Physical Cosmology,Princeton,1993,Peacock,J.A.,Cosmological Physics,Cambridge,1999,Longair,M.S.,Galaxy Formation,Springer,1998,Coles,P.&,Lucchin,F.,Cosmology,The Origin and Evolution of Cosmic Structure,Wiley,2002,