宇宙在大尺度上是均匀的吗?

宇宙中的物质在大尺度上是均匀分布的,还是保持着分形分布的特点,成为近年来观测宇宙学中争论的一个热点。Ｐｉｅｔｒｏｎｅｒｏ等人认为直到目前观测到的最大尺度（≈１０００ｈ＾－１Ｍｐｃ）星系的分布仍保持Ｄ≈２的分形结构,而大多数坚持标准模型的宇宙学家都认为宇宙在大尺度上是均匀分布的。宇宙物质在大尺度上是否均匀分布,将由下一代的红移巡天的结果来判断。     

宇宙的大尺度结构

在宇宙的已观测的范围内,从尺度10~(10)cm直到10~(26)cm可视物质的分布是不均匀的。对星系三维分布的研究结果表明,绝大多数的星系集中在由星系的带、群和团组成的超星系团中;而在超星系团之间是几乎没有可视天体的巨洞。宇宙的大尺度结构(在尺度10Mpc—10~2Mpc上星系分布不均匀性的特征)似乎是网状的。对类星体红移分布的统计分析结果表明,在大尺度结构中可能有周期性分布的成分。周期尺度是10~2Mpc的数量级。 在另一方面,关于微波背景辐射的温度起伏的观测(δT/T 10~(-5),在角尺度10′—180°的范围)表明,宇宙中的物质在更大尺度(10~3Mpc)上的分布是均匀的。 大尺度结构是怎样从早期均匀的背景宇宙中增长起来的?这是在宇宙学中最重要也是最困难的问题上一;要解决这个问题需要有关于宇宙的完善的模型。目前所流行的、关于大尺度结构的理论,基本上是以膨胀宇宙论和密度扰动的理论为基础的理论。 在绝热密度扰动(假定初始扰动是绝热的)的方案中,有两种观念特别值得注意: 1,宇宙密度波的观念。在早期宇宙中的扰动有可能在氢复合前形成有物理意义的相干波列;这种波——“宇宙密度波”在氢复合之后有可能影响物质的分布。作为宇宙密度波的可观测遗迹,可以解释已观测的星系分布不均匀性的上限尺度,以及在类星     

星系大尺度本动速度

本文从高斯型的初始质量密度扰动出发,采用球对称演化模型计算了星系大尺度本动速度随尺度的分布。采用这样一种模型可以避免通常流体模型中线性增长以及窗函数的假设,对不同的宇宙物质主导成分的讨论表明,在各种情况下本动速度的期待值v_p在大尺度上的分布是随着尺度的增大而逐渐减小,这与流体模型以及宇宙弦模型下的趋势是一致的,但对所有参数的可能取值所作的计算表明,理论结果很难解释Dressler等人在r～60h~(-1)Mpc的尺度上观测到的大的本动速度,这很可能是由于在本星系群(LG)之外r 60h~(-1)Mpc的远处存在着一个大质量的物质凝聚区域。     

不可视物质的成分及结构

本文评述了宇宙中的不可视物质问题。第一节中我们讨论存在不可视物质的证据,例如,各种天体系统的质光比,不同方法所得到的减速参数q_0等。不可视物质的可能的成分在第二节中加以列举和分析,其中提及有静质量的中微子、有静质量的光微子,原初黑洞及磁单极子等。在第三节中我们指明,可视物质和不可视物质的密度分布是十分不同的。可视物质在星系、星系团及超团尺度上都有明显的成团,而不可视物质的分布是较均匀的。最后一节我们研究了形成这种分布上的差异的可能性。对于两成分宇宙,如果密度扰动的增长时标及衰减时标满足适当的关系,则该扰动能在一种成分中触发增长扰动,而在另一成分中却是衰减的。在中微子为主的宇宙中,上述机制能用来解释为什么不可视物质的分布如此之均匀。     

基于Fermi-LAT数据的暗物质湮灭线谱搜寻及悟空号的伽马射线分析软件开发

正在现代的天体物理观测中,有许多天文现象包括星系旋转曲线、星系团的质量测量、宇宙微波背景辐射的角功率谱等,难以用现有模型进行解释.它们跨越多个尺度—小至星系尺度,大至整个宇宙尺度,需要在模型中额外引入一定的质量才能令观测现象得到很好的解释,而提供这些质量的"物质"却难以用通常的电磁波或中微子手段探测到.这部分物质被称为"暗物质".根据现有的观测结果,它们应具有正常的引力相互作用,没有强相互作用和电磁相互作用,寿命很长(显著长于宇宙的寿命).对暗物     

巨洞中没有暗物质

宇宙中形形色色的结构（例如星系、星系团等）究竟从何而来？如今天文学家们已经给出了一个“标准模型”。大爆炸之后的极早期,超密的宇宙物质中不可避免地存在亚微观尺度上的量子涨落,今天的星系和星系团恰恰就是起源于这种涨落。大约在大爆炸开始后10吨秒,这些微小的不均匀团块发生暴胀,获得与今天的矮星系或大星团相当的质量。     

膨胀宇宙中可视物质与不可视物质在分布上的差别的形成

宇宙中的可视物质与不可视物质具有相当不同的密度分布.前者在星系、星系团和超星系团的尺度上有明显的成团,而后者的分布则是较为均匀的,本文讨论了在Jeans成团阶段,可视物质与不可视物质之间形成这种差异的可能性.对于两成分宇宙,只要引力扰动的增长时标和衰减时标满足一定的关系,该扰动就可以在一种成分中引起增长响应,而另一成分中却是衰减的.具体计算了由两种无碰撞气体所构成的宇宙中非均匀性的发展.发现:只要成分1及2的密度及Jeans长度满足ρ_1 ρ_2,λ_(1J)λ_(2J),则无论初始扰动是在成分1中,还是成分2中,发展的结果都是成分1中具有大的非均匀性,而成分2中只有小的非均匀性.如果不可视物质主要是有静质量的中微子,则上述结果就可以用来说明不可视物质的密度分布的准均匀性.     

暗物质——我们究竟知道些什么？

神秘而不可见的物质维系着宇宙,使我们生存的世界免于分崩离析,但它们到底是什么？ 宇宙并不遵循“所见即所得”的原则。事实上,我们所看到的物质——恒星、气体和尘埃——仅仅占据了宇宙物质质量的10％左右。这些可见的普通物质由质子、中子和电子组成。科学家们把它们称为“重子物质”,因为质子和中子在亚原子粒子中被称为“重子”。宇宙物质的其余90％则是“暗物质”,它们包围着宇宙中的每一个星系。     

暗物质：宇宙的秘密

在我们的宇宙中,恒星和行星是随处可见的,除此之外还有大量自由漂浮着的气体云,也涂画在时空巨大的幕布上——我们所能看到的这一切,天文学家称它们为“可见物质”。但你是否知道,这些可见的物质,其实只占了宇宙中全部物质的很少一部分（17％）呢？宇宙中另外那约83％的物质都是我们看不见的,没有人知道它们究竟是些什么。在过去的80多年里,天文学家一直试图对宇宙中这些被称为“暗物质”的成分进行直接的观测,但到目前为止还没有一次获得过成功。     

有静质量中微子对宇宙早期成团过程的影响

本文讨论有静质量中微子对宇宙早期的Jeans不稳定性阶段的成团过程的影响。把早期宇宙作为两成分流体处理,一种成分是退耦后的中微子,另一种成分是物质及辐射,二者之间仅通过引力相耦合。主要的结论是:(1)有静质量中微子将引起复合时期之前的物质成团过程;(2)这种先复合期的物质成团的质量主要处于星系团的范围;(3)存在优先的成团尺度,它的Jeans不稳定的起始时间最早;(4)如果中微子静质量太小,则对早期的物质成团过程无影响。     

宇宙中大尺度非线性结构

宇宙物质在大尺度上成团是宇宙学的基本问题.本文综述了金斯理论和泽利多维奇近似,指出:双成分自引力系统的非线性相互作用的动力学描述是大尺度成团的现代研究课题. 详述了过去在这个课题方面被我们获得的结果.表明:自引力系统的结构可由一组非线性藕合方程描写:扰动场能塌缩并形成类薄饼结构.在宇宙条件下,我们得到了星系团、超团和巨洞的特征尺度.     

大天巨星系红移巡天

星系的红移巡天是观测宇宙学中最基本的工作,有关宇宙大尺度结构研究中的许多关键问题,例如宇宙中最大结构的尺度,宇宙中大尺度结构的拓扑特征,以及有关宇宙物质分布的密度场和速度场的许多基本性质的研究,都依赖于覆盖面积足够大、极限星等足够暗的完备的星系红移大样本．通过对巡天的覆盖天区、巡天深度、选样方法、巡样率等方面的分析,比较了最近已完成的一些红移巡天（IRAS、CfA、SSRS、ORS和LCRS等）并对计划中的2dF和SDSS巡天计划作了简要介绍．     

基于红移畸变测量宇宙结构增长率的进展

星系红移巡天的一个主要目标是依据光谱红移测距,详细刻画宇宙中星系的三维空间分布。由于星系本动速度的存在,红移空间的星系分布存在着严重畸变,在大小尺度上有着不同模式的各向同性偏离。通过对红移畸变的观测研究,人们可从中获取速度场的信息,因此,红移畸变已成为暗能量探测的重要探针之一,为检验宇宙学尺度上的引力模型提供帮助。当前星系红移巡天项目已经取得了非凡成功,为人们提供了详细的星系空间分布数据。人们据此测量了星系的相关函数和功率谱,提取了精确的红移畸变信号,并通过模型拟合限制出了一批不同红移处宇宙结构增长率的估值,为探索宇宙尺度的引力模式提供了数据支持。主要介绍红移畸变模型、星系红移巡天观测和宇宙结构增长率测量等研究进展。     

大天区星系红移巡天

星系的红移巡天是观测宇宙学中最基本的工作,有关宇宙大尺度结构研究中的许多关键问题,例如宇宙中最大结构的尺度,宇宙中大尺度结构的拓扑特征,以及有关宇宙物质分布的密度场和速度场的许多基本性质的研究,都依赖于覆盖面积足够大、极限星等足够暗的完备的星系红移大样本。通过对巡天的覆盖天区、巡天深度、选择方法、巡产率等方面的分析,比较了最近已完成的一些红移巡天（ＩＲＡＳ、ＣｆＡ、ＳＳＲＳ、ＯＲＳ和ＬＣＲＳ等）并     

ISW效应对Yukawa引力势的检验

该文利用Integrated Sachs-Wolfe(ISW)效应探测宇宙大尺度引力势随时间的变化速率,从而能够在宇宙学尺度上检验引力的性质.以Yukawa引力势为例,探讨了利用ISW效应检验引力性质的能力.计算表明,ISW效应对引力的性质很敏感,通过与宇宙微波背景辐射实验WMAP五年的观测结果相比较,发现相对于牛顿常数,等效牛顿常数在宇宙学尺度上最多只有约2%的改变.     

空洞、纤维状大尺度结构形成的一个模型

本文用N-体数值模拟对标准宇宙的大尺度结构进行了研究,给出了一个能形成空洞、纤维状结构的模型。该模型意味着,密度扰动存在超团的特征尺度,并且,在较小的尺度上,扰动也没有全被抹平。     

由SLOAN观测数据测试大尺度结构的均匀性

宇宙学的基本假设之一是宇宙在大尺度上均匀各向同性.为了验证星系分布在大尺度上的均匀性,分别计算观测样本和观测空间几何体的分形维数,得到SDSS-DR4中星系分布的分形维数.观测空间几何体的分形维数用随机样本来确定.样本中的星系红移z的范围为0.01-0.26.当尺度持续增加至几十个Mpc时,星系分布的分形维数一致地趋向于3.所有的样本均显示了明显的转变尺度,当尺度大于此转变尺度时,星系分布的分形维数D<,G>～3,星系的分布转变为均匀分布.结果支持了宇宙学的基本原理关于宇宙大尺度均匀的假设.样本的转变尺度随着样本的光度增强而变大,说明小尺度上星系的分布不是简单的分形分布,而是多维分形分布.高光度星系的转变尺度非常大,直到100h-1Mpc左右才变得均匀.     

无边界宇宙简介

无边界宇宙模型是史蒂芬·霍金 (ｓｔｅｐｈｅｎＨａｗｋｉｎｇ)与詹姆·哈特尔 (ＪｉｍＨａｒｔｌｅ)于 1 983年提出来的。如图 1所示 ,宇宙的历史可以参照地球表面的纬度来描述。纬度与北极的距离代表虚的时间 (ｉｍａｇｉｎａｒｙｔｉｍｅ) ,与北极等距离的圆周 (纬度圈 )长度代表宇宙的空间尺度。宇宙是作为从北极的一点 (大爆炸 )开始的 ,从北极一直往南走时 ,离北极等距离的纬度圈越来越大 ,这对应于宇宙随虚时间的膨胀。宇宙在赤道处达到最大的尺度 ,再往南去 ,宇宙将随着虚时间的继续增长而收缩 ,最后在南极收缩成一点 (大挤压 )。…     

一部了解人类科学思想史的好书——《宇宙简史》

《宇宙简史》主编文池 执行主编 陈君线装书局2003年1月出版 32开484页 定价29.8元 邮购价34元 自古以来,人类一直在探索宇宙的奥秘。在科学家的心目中,宇宙是茫茫太空中存在的各种天体以及弥漫物质的总称,宇宙是物质的,是不依赖于人的意识而客观存在,并且处在不断地运动和演化中。现代人利用先进的天文望远镜使得宇宙的可观测范围日益扩大,     

我们宇宙的未来

不断演化的宇宙 现代天文学家把目前我们所观测到的整个时空范围称作“我们的宇宙”。科学家从整体上研究宇宙大尺度的时空性质,物质运动的规律,宇宙学作为天文学的分支学科,是当代最活跃的科学前沿之一。近年研究认为,我们的宇宙大小约为137亿光年;它的起源、结构、演化和未来的结局,正是宇宙学的研究内容。