宇宙物质起源? 陆 埮 中国科学院 紫金山天文台 2013 3 15

太阳系元素丰度 （按原子数计， 以Si=106归一）。 Martin Harwit： Astrophysical Concepts 4th Edition，Springer

元素丰度分布特征 氢和氦丰度遥遥领先，几乎占99%。 太阳、陨石和地球物质中的元素分布非常相似(地球的氢、氦例外)。 这种相似性或一致性具有普遍性，对于其它恒星甚至临近星系也同样适用。因此，反常丰度往往可以用来提示恒星演化或化学分馏特征信息。

太阳与地球元素丰度的差别 太阳与地球的元素丰度有个重大差别：占太阳上99%的氢和氦，在地球上却很少。氦在地球上几乎没有，氢只能以化合物的形式存在（如水、氨基、羟基等）。原因很简单：地球上的引力不足以束缚住氢气和氦气，而氦为惰性气体，不存在化合物。 太阳质量占太阳系质量的99%以上。 太阳质量=1.99×1030 kg 地球质量=5.9742×1024 kg 差5个多量级

恒星内的元素起源 热核反应：弱作用（缓慢）的聚变反应 （太阳内部～ ）- 弱作用瓶颈 既是恒星能源，又是恒星元素起源

p-p链（较低温） 释放能量 总效果：pppp → 4He+2e++2 瓶颈：弱作用

CN-CNO循环（较高温） 释放能量 总效果：pppp → 4He+2e++2 瓶颈：弱作用

B2FH （M.Burbidge、G.Burbidge、W.A. Fowler、F. Hoyle） 1957 恒星的元素合成。 氢燃烧，氦燃烧，碳、氧、硅燃烧；…… e过程、s过程、r过程、p过程；…… ………

恒星形成的氦 质子是元素形成的原料和基石。太阳内部温度 仅～ ，必经弱过程，进行缓慢。 恒星内进一步过程还会产生其他元素。 仅～ ，必经弱过程，进行缓慢。 恒星内进一步过程还会产生其他元素。 45亿年太阳过程合成了多少氦？太阳的辐射功率 , 从45亿年太阳的总辐射能量可以算出，按质量计算，所产生的氦远小于5%，无法解释观测值: ～25%。观测到的氦肯定主要不是恒星过程产生的。氦究竟是怎样产生的？

氦主要怎样形成？ 恒星过程太慢，主要是受弱作用控制。 宇宙早期高温高密状态存在中子，可以通过质子、中子强作用直接快速生成氦。 自由中子的寿命只有一刻钟（15分钟）！ 宇宙的两大基本性特征： 1）宇宙学原理； 2）宇宙膨胀。

宇宙学问题

一句话：宇宙是一个物质在其中几乎均匀分布的体系。 宇宙学原理 宇宙在大尺度上是各向同性的、均匀的。 宇宙没有中心，也没有边界。 在任何一个典型星系上观测宇宙及其规律都是一样的。 宇宙在大尺度上可以看作一个以星系作为分子的均匀气体。 一句话：宇宙是一个物质在其中几乎均匀分布的体系。

宇宙膨胀的发现

哈勃发现

宇宙膨胀导致的红移

哈勃年龄（1/H0） 必有诞 生时刻 今天 真实年龄小于哈勃年龄

大爆炸宇宙学的提出

大爆炸宇宙学的提出 Gamow: 1948 宇宙诞生于高温高密状态。 膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝热膨胀降温、降密，经历各个演化阶段。 可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、各种物理过程的发生以及引起的各种观测特征。 大爆炸学说给出了宇宙的极为丰富而且确定的物理内容，可供实在的观测检验。

10-35,-33 暴胀阶段 3分 核合成时代 38万年 复合时代 温度（K） 能量（eV） 时间（秒） 时代 物理过程 1032 1028 10-44 Planck时代 1024 10-36 大统一时代 10-35,-33 暴胀阶段 暴胀过程 1013 109 10-6 强子时代 1011 107 10-2 轻子时代 1010 106 1 中微子脱耦 5109 5105 5 电子对湮灭 105 3分 核合成时代 轻核素生成 3103 0.3 38万年 复合时代 微波背景辐射 4亿年 第一代恒星生成 再电离 星系 大尺度结构形成 2.7 310-4 137亿年 现代

原初核合成

原初氦合成 总效果：2n2p  4He

4He 原初核合成 p、n平衡 中微子脱耦 衰变 原初核合成 形成4He 温度下降

原初核素成分的演化

核素丰度的确定 Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2 核素丰度的确定 Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2.610-10 <   nB/s < 6.2  10-10 相当于 B=(1.8 ~4.3)10-31 (g/cm3) 核素丰度可以确定重子物质密度（可见物质密度） 可见物质含量明确

时间与效率 宇宙早期许多事情均发生在极短时间内。 宇宙头3分钟及时保存了中子。 重要的是效率，而不是时间。 从物理上看，效率决定于碰撞次数。宇宙早期，高温高密，碰撞十分频繁，正是高效时期，完全可以理解。 例：煤燃烧－高温高效。 中子是放射性的： 寿命1刻钟

怎样测量物质?

光度方法与力学方法 用力学方法测出的质量往往比用光度方法测出的质量大得多，有量级之差。 测量范围越大，差别越大 存在暗物质（可大1个量级）: 有引力，却不发光

旋转示意

太阳系行星旋转曲线

观测结果 星系旋转曲线 计 算 结 果 30

巨大的暗晕： 存在暗物质 7 spiral galaxies. The flatness indicates the presence of huge dark halos. (V.J. Martinez, astro-ph/0203377).

Galaxy configuration 暗物质晕

暗物质存在的首个证据 早在1937年，F. Zwicky指出，大星系团中的星系速度太大，以致无法将它们通过引力束缚住，除非它们的质量超过按星系团星系总质量估算值的100倍以上。这是显示大量暗物质存在的首次发现。

引力透镜 对广义相对论的一个经典的检验是光线在太阳附近发生偏折。实际上，任何聚集的质量都会对附近经过的光线发生作用使其偏折，担当引力透镜。 由于像的特征取决于透镜的质量分布，引力 透镜为探测星系的质量分布提供了一种 可行的方法，它为探测完全看 不见的暗天体，如在 附近存在的 气体、 恒星或星 系，所聚 集的物质 的质量提 供了可能。 对广义相对论的一个经典的检验是光线在太阳附近发生偏折。实际上，任何聚集的质量都会对附近经过的光线发生作用使其偏折，担当引力透镜。 34

单个类星体形成的引力透镜双象 1979

Dark Matter—Strong gravitational lensing（A2218, HST）

对暗物质的基本天文认识 Zwicky 1937，特别是比较精确地来自星系旋转曲线的测量。 DM 很可能占全宇宙物质的 85%。 对宇宙中暗物质的分布已经了解的比较清楚。 DM 主要是冷的 (即非相对论的) 不是热暗物质 没有电磁作用--- 也没有强作用。 无碰撞--- 几乎与普通物质没有作用，暗物质之间也不碰撞。 太阳系附近暗物质的局域质量密度约为 ～0.4 Gev/cm3 银河系中暗物质粒子的速度约 ～200 km/s Passing through us at 200 km/s with no trace 37

C.Frenk与S.White的评论 英国杜伦大学教授、计算宇宙学学院院长Carlos Frenk说：“解决暗物质之谜将是这个时代最伟大的科学成就之一。对暗物质的寻找是数十年来宇宙学的中心任务，这个任务可能很快就会结束了。” 德国马普天文物理研究所所长Simon White说：“这些模拟计算的结果最终使得我们有可能‘看’到太阳附近暗物质的分布。”

宇宙膨胀： 加速还是减速

彷徨与徘徊几十年 宇宙膨胀究竟减速还是加速？万有引力只允许减速。 减速因子观测分歧很大，矛盾百出！

Ia型超新星 当吸积白矮星的质量达到Chandrasekha极限，白矮星的爆燃而导致的超新星爆发。 找到了 标准烛光 光源 Ia 型超新星可以作为标准烛光（ Standard Candle ） Chandrasekhar 质量极限的意义: 意味着目前所有观测到的白矮星的质量都应该小于1.4 M（被证实）。 2. 意味着所有的白矮星在超新星爆发时都具有相同的质量（ 1.4 M ）。 3. 意味着所有的白矮星的超新星爆发（Ia SN）具有相同的最大光度。 4. 意味着我们一旦从一个爆发事件确定了Ia SN的光度，我们能用这个光度来确定所有的Ia SN的距离（？）。因此Ia SN可以作为确定距离的标准烛光。 41

重要发现： 加速膨胀！ 发现：远处的超 新星偏离预期越 暗，显示越远 18个Ia型SN的平均峰值绝对星等：MB = -19.330.25 （Y.Wang, 2000, ApJ. 536. 531） 发现：远处的超 新星偏离预期越 暗，显示越远 重要发现： 加速膨胀！ SNIa 是非常好的标准烛光，可以由此来确定宇宙学中的某些重要参数。但高红移的数据不是太多。 42

暗能量的提出

牛顿与爱因斯坦比较 m M

暗能量的提出 暗能量的提出：负压强。 按广义相对论： 真空中的能量。新物态。

三种物质 三种物质：普通物质（重子物质）；暗物质；暗能量。 可以符合各种观测结果。 拟合结果是： 暗能量是真空物质，密度为常数。

宇宙成分分配 Ostriker & Steinhardt, 2003, Science, 300, 1909 暗能量：73%；暗物质：23%； 发光物质：0.4%（恒星和发光气体0.4%；辐射0.005%）； 不可见的普通物质： 3.7%（星系际气体3.6%； 中微子0.1%；超重黑洞0.04%）

WMAP measures the composition of the universe WMAP measures the composition of the universe. The top chart shows a pie chart of the relative constituents today. A similar chart (bottom) shows the composition at 380,000 years old (13.7 billion years ago) when the light WMAP observes emanated. The composition varies as the universe expands: the dark matter and atoms become less dense as the universe expands, like an ordinary gas, but the photon and neutrino particles also lose energy as the universe expands, so their energy density decreases faster than the matter. They formed a larger fraction of the universe 13.7 billion years ago. It appears that the dark energy density does not decrease at all, so it now dominates the universe even though it was a tiny contributor 13.7 billion years ago. Credit: NASA/WMAP Science Team WMAP 5年数据

Before WMAP WMAP High precision 精确宇宙学的诞生

2006年度邵逸夫天文奖 $1,000,000 Saul Perlmutter， Adam Riess， Brian Schmidt 奖给宇宙加速膨胀的发现

2011年度诺贝尔物理奖 $1,460,000 Saul Perlmutter， Adam Riess， Brian Schmidt 52 42 44 奖给宇宙加速膨胀的发现

结 语

表： 天体物理：诺贝尔物理奖：9年度、12项目、18人 1967 H．Bethe 核反应理论研究，恒星能源的发现 1970 H．Alfvén 磁流体力学中的基本工作和发现 1974 M.Ryle 综合孔径技术， A.Hewish 脉冲星的发现 1978 A.A.Penzias, R.W.Wilson 宇宙微波背景辐射的发现 1983 S.Chandrasekhar 恒星结构与演化的理论研究； W.A. Fowler 宇宙中化学元素起源的理论和实验研究 1993 R.A.Hulse, J.H.Taylor 发现一种新类型脉冲星，开辟了引力研究新的途径 2002 R．Davis Jr. M．Koshiba 宇宙中微子的观测 R．Giacconi 宇宙X射线源的发现 2006 J.C.Mather, G.F.Smoot 宇宙微波背景辐射黑体谱和各向异性的发现 2011 S.Perlmutter, A. Riess, B. Schmidt 宇宙加速膨胀的发现 3 4 4 5 10 9 4 5

分类 获奖人 项目 恒星 H.Bethe 恒星能源(1967) S.Chandrasekhar 恒星结构与演化(1983) W.A.Fowler 元素恒星起源(1983) 脉冲星 A.Hewish 脉冲星(1974) R.Hulse，J.Taylor 双星脉冲星(1993) 宇宙学 A.A.Penzias R.W.Wilson 微波背景辐射的发现(1978) J.C.Mather G.F.Smoot 微波背景辐射黑体谱与各向异性(2006) S.Perlmutter B.Schmidt, A.Riess 宇宙加速膨胀的发现(2011) 新窗口 H.Alfvén 磁流体力学(1970) M.Ryle 综合孔径(1974) R.Davis Jr. M.Koshiba 宇宙中微子(2002) R.Giacconi X射线天文(2002)

“超越爱因斯坦”计划 55 ysh

LAMOST 4.3/6.3m

Thirty Meter Telescope: 492  1.4m segments

FAST——Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope 贵州平塘 FAST——Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope

HXMT——Hard X-ray Modulation Telescope

中国科考队于2005年首先到达 南极冰穹最高点 DomeA 昆仑站 Dome A – the summit of the Antarctic icecap Yuansheng Li, 2005

所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面 我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的…… 假如一个年轻人，他觉得自己一生的目的就是要做革 命性的发展的话，他应该去学习天文物理学。 —— 杨振宁 现在对科学的最大的挑战，已不仅是那些已知的物质。 因为在我们知道的物质之外，还有暗物质、暗能量。所以 我们要立足新的基础科学前沿，一定要将小的与大的联系 起来，这个方法可称为“整体统一”。我认为，“整体统一”的科学方法，应该是21世纪最重要的科学方法。 　　　　　　　　　　　　　　—— 李政道 61

谢 谢！