茫茫宇宙谁主沉浮ppt课件

第六章 茫茫宇宙谁主沉浮 相对论宇宙学概述,1 广义相对论的大尺度印证,1.1 光线弯曲和引力透镜效应 1.2 引力辐射 1.3 天文新发现,1.1 光线弯曲和引力透镜效应,1936年，爱因斯坦公布了一项简单的计算，表明如果两颗离地球远近不同的恒星在星图上完全重合，即两颗恒星与地球在一条直线上，那末远星被近星遮住，然而远星会形成一个环。远星发出的光锥面会聚到地球上；近星就如凸透镜一般。由于轴对称的缘故，地面观察到的是远星的环形像，被称作爱因斯坦环。,至70年代末在大熊星座中发现了引力透镜系统。 1987年希维特等人在狮子星座里发现一巨大的明亮弧光。,1.2 引力辐射,以光速传播； 携带场的能量、动量和辐射源的有关信息； 是横波，在辐射源的远处都是平面波； 引力辐射极弱，其强度只有电磁辐射的1037分之一； 引力辐射的穿透力强。,引力辐射的性质：,接收到的辐射能量随着与辐射源之间的距离增大而减小，引力波携带的辐射能量与离辐射源的距离的7/2次方成反比。 巨大质量的天体之激烈活动可发出较强的引力波：双星的公转，中子星的自转，超新星爆发，黑洞等致密天体的形成、碰撞及其捕获、抛射物质的过程等都可作为探得其引力辐射的候选者。,图为双星系统,引力辐射导致的轨道变化现象被认为是带走了能量之故其发出的引力辐射。,引力辐射一旦完全证实，将会开辟一个新的通信技术领域，从而对信息科技产生意想不到的影响。,1.3 天文新发现,普通的恒星若核能耗尽，就会冷下来，变成红巨星，自引力引起红巨星坍缩，变成温度甚低的白矮星，其密度相当大，约为105107克/厘米3。白矮星再坍缩，形成中子星。中子星的密度甚大，约为10141015克/厘米3。中子星继续坍缩，成为一种异常天体，这就是最致密的天体黑洞，其相对论效应当然最为强烈。,普通的恒星，譬如太阳，温度很高，无时无刻不在放出光芒，其能量来源是其内部的核聚变，由此释放出大量的原子核能。然而，倘若核能耗尽，恒星就会冷下来，变成红巨星。,于是自引力会转为上风，在其作用下恒星便会坍缩。这是20世纪上半世纪对于天体演化已经探明了的结果。,红巨星坍缩，变成温度甚低的白矮星，其密度相当大，约为105107克/厘米3。,白矮星再坍缩，其组成物质的原子内的电子被强引力压入原子核，于是整个星球俱由简并中子构成，故而称为中子星。中子星的密度甚大，约为10141015克/厘米3。,中子星,黑洞是在一特殊的大质量超巨星坍塌时产生的。位于恒星中心的铁核在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强烈爆炸。在中子星情况下，当核心中所有的物质都变成中子时，坍塌过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使坍塌过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下的是一个密度高到难以想象的物质，这就是黑洞。,2 标准宇宙模型,2.1 宇宙学原理和宇宙膨胀假说 2.2 宇宙红移及其哈勃定律 2.3 有限无界动态宇宙模型,2.1 宇宙学原理和宇宙膨胀假说,一、宇宙学原理,宇宙在大尺度上的物质密度完全均一； 物质分布的均匀性亦就包含了各向同性。,换言之，宇宙的所有空间点都完全等价；从每一点向个方向看出去，性质也完全一致。,R(t)乃指宇宙的特征尺度，常常简称宇宙“半径”。,二、宇宙膨胀假说,1922年，前苏联数学家弗里德曼从相当对称的R-W度规出发，由爱因斯坦的引力场方程导出宇宙动力学方程：,为宇宙间的物质密度，k取常数+1，0，-1分别对应于三种常曲率的三维子空间：正曲率的超球面、零曲率的平直空间、负曲率的超双曲面。,求解宇宙动力学方程：,1.当k=-1，0时，宇宙一直膨胀。 是开放式的宇宙演化模式。,2.当k=+1时，宇宙先膨胀然后收缩，脉动式的循环往复。 是闭合型的宇宙演化模式。,对于宇宙里的物质密度，存在一临界值临界密度：,其中H是哈勃常数，若c或c即宇宙演化模式分别为闭合型或开放型。 宇宙究竟以何种模式演化，取决于宇宙里物质密度的大小。,2.2 宇宙红移及其哈勃定律,一、哈勃定律,早在1910年1920年间，美国天文学家斯里弗发现，许多星云的光谱有相当大的红移，意味着这些星云在向远离我们的方向运动。例如：室女座中星云的远离速度约为1000公里/秒。处在不同方位上的星系都普遍存在红移。,由气球膜的二维曲面的膨胀可以想象到宇宙，即三维超曲面的膨胀和收缩运动,1929年，哈勃宣布用他的距离测量法得到了星系的红移(多普勒速度)与距离成正比关系。,哈勃定律：,v为星系的退行速度，l为星系到地球的距离，H为哈勃常数。H5.5厘米(秒秒差距)-1,二、宇宙的年龄,1930年，哈勃的估计是10亿年。帕洛马山200英寸望远镜建成，巴德在1952年用新的望远镜发现，哈勃用以计算距离的标准取得不对，哈勃没有分清存在着两类周期性的变星，以至他所得到的距离比实际的小2.6倍。1958年，桑德奇进一步发现，哈勃把遥远星系中的H区误认为最亮星，这又使哈勃的距离标准比实际值小了2.2倍。用新的哈勃常数计算宇宙年龄，结果约是150200亿年。,宇宙的年龄指以宇宙从开始膨胀为起点的年龄。,桑德奇测定的哈勃常数受到了怀疑。以弗里德曼女士为首的一个15人小组发展了一个估计哈勃常数的新方法，测得的哈勃常数比桑德奇的值大得多，宇宙年龄为80120亿年。但这一结果也存在问题，因为已知的一些老年星被认为至少有140年。 关于宇宙的年龄究竟多少，目前尚未有定论。,三、宇宙大爆炸,“宇宙大爆炸”的假说：膨胀着的宇宙起始于大爆炸，随着大爆炸。现存的物质和时空一起诞生了，逐渐形成今日之宇宙。,宇宙是弯曲的流型空间，每个星系看其它星系距离都在增加，在每个星系看来，自己处于膨胀的中心。,1965年，美国天文学家彭齐亚斯、威尔逊用高灵敏度射电望远镜发现了全宇宙空间具有2.7K的微波背景辐射，为大爆炸假说提供了有力的证据；这种微波背景作为大爆炸的残余辐射，具有高度的各向同性。90年代，宇宙背景辐射探索者卫星(COBE)的长期观测以更高的精确度证实了背景辐射的各向同性。,现代宇宙标准模型认为：大约150亿年前的某一时刻，宇宙开始膨胀（或称为大爆炸）。 在开始膨胀的那一时刻，宇宙以极高的密度和极高的温度的状态出现。,2.3 有限无界动态宇宙模型,一、动态的宇宙模型,标准宇宙模型的理论依据是广义相对论，而前提是宇宙学原理。建立四维时空度规实际上先把三维空间和一维时间分别加以考察，故而动态是其主要特征；在肯定空间高度对称性的同时揭示了时间概念的方向性，即所谓“时间箭头”的宇宙学意义。,二、现代宇宙观,认为宇宙有限，宇宙除了有其内部的物质运动、变化外，还有其整体的运动、变化。宇宙整体最充分地展示了相对论时空观的要义：绝对时空观的摈弃；弯曲时空的建立；宇宙有限与黎曼型时空结构相协调。,3 黑洞探索方兴未艾,3.1 黑洞、白洞，交相衬映 3.2 黑洞与时空结构的奇异性 3.3 黑洞探索的宇宙学意义,3.1 黑洞、白洞，交相衬映,黑洞和白洞同为根据广义相对论而作出的猜测。 1916年解得的施瓦氏度规(S度规)，是球对称物质分布体系的引力场的静态时空度规，其动态修正是克鲁斯卡尔度规，由此而确定的时空结构称为完全施瓦氏时空(S时空)。 完全S时空结构包括两个宇宙以及黑洞、白洞两个特殊区域。预示黑洞、白洞的存在。,图为S时空，其中隐去了四维时空的两个空间维。依照广义相对论的推导，这种S时空出现两个“球形”单向膜，半径为：,其中M是物质体系的质量；任何信号(包括实物粒子和电磁辐射等)通过此膜都是单方向的。,3.2 黑洞与时空结构的奇异性,广义相对论认为，引力实际上是时空弯曲的表现。这种时空的弯曲程度在黑洞附近表现得极其强烈。,黑洞的边缘是一个被称为“事件地平线”的球面。,在事件地平线处：逃离速度等于光速。,在事件地平线内：逃离速度大于光速。,在事件地平线外： 逃离速度小于光速。,一个观察者远离黑洞，他看到的地平线似乎是一个美丽、精致而且是静态的球面。,一旦你接近这个地平线会发现它正在以光速向外运动。一旦你已经在地平线以内，你会发现时空扭曲得非常厉害。,3.3 黑洞探索的宇宙学意义,由于黑洞不可见，只能采用间接方式搜寻。X射线双星可能是认证恒星质量级黑洞存在的最好实例。根据亮度的不同，以及质量的差异和对黑洞视界性质的测算，天文物理学家认为如今以能把暂现X源