PPT《宇宙中的微波背景辐射北京大学 俞允强》

1 10-4.从理论方面:若CBR上的小扰动已知,后来它们随宇宙膨胀而演化至今天,应当可以算出今天宇宙的实际面貌.如:星系应当多大(一个范围)单位体积内星系平均应当有多少个?等等. 这种计算需要输入两方面信息:* 今天宇宙物质的平均密度多大? 当时只知道:宇宙平均密度为 ρm = 0,2---1.0ρc ρc =

10 氢原子质量/m3.* 宇宙中暗物质的主要组分是哪几种? 当时认为:暗物质总归也是重子所组成.注意:今天已知道这不对!) 利用T/T <

1 10-4算下去,人们发现:这样的小扰动演化到今天是 来不及形成星系的 .可是星系已大量形成却是铁的事实.我们正生活在某一个星系内呢!宇宙学遇到了天大的疑难 puzzle!哪儿错了? 五.非重子暗物质观念的由来 今天大家已知道,宇宙暗物质的主要组分不是重子.暗物质以非重子为主的观念却产生于81年.有趣的是它来源于一个错误的实验结果:中微子有30eV的静质量.(Liubimov) 宇宙家立刻意识到它的重大后果:今天宇宙中存在背景中微子,100个/cm3.粗略一估:它对宇宙密度的贡献比常规重子物质高接近两个量级. 我们是生活在中微子为主的宇宙中!更重要的是:中微子为主的宇宙中 小扰动增长要快得多.星系至今来不及形成的疑难 会有很大的缓解. 很快粒子物理学家知道了 Liubimov的发现是个错误.宇宙学家得到的启示是:星系必须来得及形成,因此 宇宙以非重子为主很可能是事实.至于它是否是中微子并不重要.很大胆的假设!宇宙学家持之以恒地以此为前提研究结构形成问题.艰苦而有成效地奋斗了20年. 他们首先意识到,若非重子为主,CBR上的温度起伏应当有 T/T >

1 10-6至80年代后期,小扰动测量的精度已提至 T/T <

1 10-5相信非重子为主的宇宙家到了关键时刻.若测量精度再提高一个量级依然是零结果,那么宇宙物质以非重子为主的观念 就必须放弃了. COBE承担的又一使命就是回答这问题. CBR上测量温度起伏很难,测量后的数据处理也十分繁复.到三年后的1992,结果才出来:T/T =

5 10-6 这当然是又一个异常重要的结果. 它明显地支持了非重子为主的猜想.理论家更确信:宇宙以非重子为主很可能是事实!遗留的问题留给了下一颗卫星:WMAP 六.WMAP的使命和结果 Willkinson Microwave Anisotropy Probe的使命是:高精度地测量CBR上的温度起伏.想从它获取什么信息?通过测量结果与理论的比较,可推算出若干重要的宇宙学参量,如:Hubble常数H0,真空能密度ρv,实物总密度ρm,重子物质密度ρB. 主要结果粗略地罗列如下:Hubble常数 H0 =

70 Km/s /Mpc真空能密度 ρv = 0.76ρc总实物密度 ρm = 0.24ρc重子物质密度 ρB = 0.04ρc由这些基本参量可推断出很多派生量,如宇宙年龄 t0 =

140 亿年,等等. 更重要的是如下两点:宇宙总密度约为10氢原子质量/m3,其中3/4来自真空的贡献.2. 实物约占总密度的1/4,其中重子物质只占1/6,而非重子物质占5/6.这两方面通常称为 暗物质和暗能量问题.它引起物理界极大的兴趣和关注. 七.暗物质和暗能量问题 关于真空能(暗能量)问题:真空怎么会有能量?什么叫测到了真空能?真空能肯定被测到了吗? 真空怎么会有能量?这是很复杂而需要小心对待的问题.何谓真空? 经典物理: 真空 = 完全没有物质 真空能密度只能是零. 量子物理: 真空 = 场处于基态 真空能密度不一定为零. 若不为零,它将产生引力. 什么叫测到了真空能?1. 真空产生的引力只能用广义相对论处理.2. 真空产生的是斥性引力.Repulsive gravity )3. 测到的是宇宙在加速膨胀.人们把它作为真空能存在的证据. 真空能肯定被测到了吗?使今天物理学家困惑的是:用量子场论做粗略理论估算,真空能密度比实测值高10几个量级!于是产生两种研究方向:一.若观测到的加速膨胀来自真空能,它为什么这么小?二.若不是,斥性引力是什么 物质(exotic matter)产生的?这方面的探索将 给物理基础研究带来革命性的变革. 关于非重子暗物质问题 简单做几点说明:1. 怎么知道有非重子物质存在?肯定吗?2. 重子物质不是宇宙主体,意外吗?3. 它的可能组分是什么? 非重子为主是肯定的吗?回答是: Yes, absolutely!实物总密度决定宇宙的膨胀进程,重子物质密度决定CBR的形成.理论上把它们当两个独立参量处理的.若事实上一切实物都由重子组成,拟合后将表明它们接近相等.现在的结果是: 两者差6倍! 这意外吗?回答是: No, completely!宇宙家绝不意外:这是他们期盼出现的观测结果.粒子物理学家不会感到意外:尚未发现的粒子比已发现的更多. 若有一种稳定粒子构成宇宙的主角,无可意外.重要的是宇宙学表明:一定存在. 它可能是什么粒子?从宇宙学和粒子物理看:只要是稳定粒子,它今天就会大量存在.只要它没有电磁作用和强作用,它的存在就不 容易被发现(表现为暗物质).在已发现的粒子中没有合适的候选者.在探索性的粒子理论中有若干候选者.它实际是什么粒子?目前没有答案. 八.结束语 宇宙背景辐射是我们今天的主题.我主要想说明几点:一.什么微波背景辐射? 早期宇宙曾没有恒星和星系,那时它简单地是高温高密的均匀气体. 宇宙膨胀降温过程中一定会形成背景辐射. 今天观测到的是140亿年前留下的遗迹. 二.这理论可靠到什么程度? 2006年获Noble物理奖的COBE 通过对其频谱的精确测量已把它的可信性 提高到了无可争辩的地步.三.关注CBR的价值何在? * 它标志着宇宙理论已走向成熟. * 它正在影响整个物理学的发展. 这正是当今物理学家 普遍而深切地 关注宇宙学的原因所在. 谢谢大家 ........