宇宙学-北京大学物理学院.ppt

辐射相（0-103 yr） (5) 核时代 恒星演化理论可以较好地解释宇宙中重元素的丰度。 但轻元素丰度的理论与观测值不符，特别是氦元素丰度比理论预计高25%。 这部分氦元素丰度被认为是宇宙早期的原初丰度。 通常将宇宙早期比氢元素更重的元素形成过程称为原初核合成。 t ~ 102 s -103 yr ρ~ 101 –10-16 gcm-3 T ~ 109 –6×104 K 当t = 102 s, T = 109 K, 宇宙中的可见物质包括电子、质子和中子，其中质子与中子数目比为5:1。 质子与中子结合形成氘核 1H + neutron ? 2H + E 但氘核一旦形成，就被高能光子瓦解，这个阶段称为氘瓶颈 当t = 2 min, T = 9×108 K,氘核可以稳定地形成，并通过核反应迅速生成氦核。 核反应的结果是，在几分钟内，几乎所有的中子被消耗光，宇宙中的可见物质只有质子、氦核和电子。 由于宇宙的膨胀和冷却，氦核无法通过核反应生成更重的元素。 当t = 103 s, T = 3×108 K，宇宙元素丰度确定。 核合成开始时质子与中子数目比为7:1 →质子与氦核的数目比为12:1 →氦丰度25% 恒星内部核合成产生极少量的氘，因此观测到的宇宙中的氘主要来自原初核合成。 宇宙密度越高，粒子与氘的反应越多，氘丰度越低。 目前对理论与观测的氘与氢的丰度比为10-5-10-4，要求重子物质的密度为临界密度的1%-1.6%。 考虑暗物质， Ω0 ≈ 0.3 - 0.4 →暗物质不可能主要由重子物质构成。 原初核合成的元素丰度 物质相 (6) 原子时代 物质开始在宇宙中占主导地位。 高温使得氢和氦处于电离状态，大量的自由电子导致光子的自由程极短。 当温度降至约几千 K，电子与原子核结合形成原子 当T ≈4500 K，宇宙主要由原子、光子和暗物质构成。 t ~ 103 -106 yr ρ~ 10-16 –10-21 gcm-3 T ~ 6×104 – 103 K 温度为~3000 K (红移z～103)时，自由电子与原子核结合形成原子（复合）使得光子可以自由地运动（仅有特定波长的光子被吸收），称为辐射与物质（重子）退耦，宇宙变得透明。 今天观测到的微波背景辐射就是辐射与物质脱耦最后时期的宇宙辐射。 物质相 (7) 星系时代 星系与大尺度结构形成，宇宙在宏观上开始表现不均匀性。 类星体和第一代恒星开始出现。 t ~ 106 -109 yr ρ~ 10-21 – 3×10-28 gcm-3 T ~ 103– 10 K The First Starlight A blow-up of the boxed area in the Hubble image of the cluster of galaxies, named Abell 2218. Circled are the faint, twin images of the star cloud. 物质相 (8) 恒星时代 恒星持续形成。 行星和生命开始出现。 t ~ 109 - 1010 yr ρ~ 3×10-28 – 10-29 gcm-3 T ~ 10 – 3 K 宇宙演化史 4、暴涨宇宙 1） 视界与平直问题 视界问题 微波背景辐射是高度各向同性的， →整个宇宙应该具有相同的温度。 但宇宙的不同区域处于各自的视界之外，如何进行信息交换？ 如大统一时代的视界为 3×10-26cm，远小于宇宙尺度3 cm。 光子在目前宇宙视界上相对两点间的运行时间超过宇宙年龄 平直问题 目前宇宙密度参数Ω0的值接近于1，说明宇宙是平直的。 →在宇宙早期， Ω0应该极其接近于1 为什么宇宙是平直的？ 2） 暴涨宇宙 物质相互作用的四种力 强度 作用 范围(m) 强相互作用力 1 束缚核子 10-15 电磁力 1/137 束缚原子 ∞ 弱相互作用力 10-5 引起放射性 10-17 引力 6×10-39 束缚宏观物体 ∞ 大统一理论 (GUT) 认为在极高的温度下，强相互作用力、弱相互作用力和电磁相互作用力是统一的。 当t = 10-35 s, T 降至1028 K以下，强相互作用力与其他力分离。 在t = 10-35 - 10-32 s阶段，宇宙经历暴涨(inflation)，尺度增大~1050倍。 暴涨结束后，宇宙膨胀恢复到原来的速度。 2015年BICEP2结果证实暴涨存在（宇宙微波背景辐射B模式极化－暴涨理论预言的原初引力波） 后来发