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。     

暗物质与类星体分布

宇宙中的大部分物质是不可视的,这些暗物质在宇宙大尺度结构的形成中起到重要的作用。本文首先讨论了暗物质存在和均匀分布的证据,并指出宇宙中可能存在两种非重子的暗物质成份。在具有两种暗物质成份的宇宙中成团过程将不同于标准的绝热和等温两种成团图景。在具有两种成份的体系中成团过程的特征是:假如ρ_1和ρ_遍以及λ_(1J)和λ_(2J)分别为两种成份的密度和相应的Jeans长度,当满足条件ρ_1≤<ρ_2,λ_(1J)≤λ_(2J)时,无论初始扰动存在于成份1或成份2中,尺度小于λ_(2J)的不均匀性总是在非主导成份中发展得比主导成份2中更大一些。从这种新的成团图景中我们可以解释在类星体分布中的下述特征: (1)与星系分布相比较,类星体的分布中在尺度10—100Mpc上没有很强的不均匀性; (2)红移Z>2和Z<2的类星体的分布不相同,前者没有大尺度的结果,而后者则有。     

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     

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.     

星系团的引力透镜效应及宇宙微波背景辐射的各向异性

本研究了Ｐｏｉｓｓｏｎ随机分布的星系团作为引力透镜天体,其横向本动速度引起的运动引力透镜效应对宇宙背景辐射（ＣＢＲ）温度涨落各向异性的影响。对星系团的密度结构及其引力透镜效应,我们采用Ｈｅｒｎｑｕｉｓｔ模型,并在此基础上,利用星系团的统计理论,在冷蝉 物质及等曲率重子扰动模型框架下,计算了运动引力透镜效应对ＣＢＲ温度涨落各向异性的贡献。     

星系团的引力透镜效应及宇宙微波背景辐射的各向异性

本文研究了Ｐｏｉｓｓｏｎ随机分布的星系团作为引力透镜天体,其横向本动速度引起的运动引力透镜效应对宇宙背景辐射（ＣＢＲ）温度涨落各向异性的影响．对星系团的密度结构及其引力透镜效应,我们采用Ｈｅｒｎｑｕｉｓｔ模型,并在此基础上,利用星系团的统计理论,在冷暗物质及等曲率重子扰动模型框架下,计算了运动引力透镜效应对ＣＢＲ温度涨落各向异性的贡献．     

宇宙弦与大尺度结构的形成

宇宙弦模型为解决宇宙大尺度结构的形成提供了一种新的途径。比之其他的模型,它有一系列优点,如统一地说明各种尺度上的相关函数,说明超星系团的存在,说明初始扰动与背景辐射均匀性之间的协调。本文系统地介绍了这些方面的进展。     

类星体红移分布中的周期性与早期宇宙中的密度波涨落

本文对类星体的发射线红移分布作了功率谱分析,进一步证实了其中明显地存在着相对于x=F(z,q_0)(方程(8))的周期性。这种周期性的存在并不表明类星体的红移是非宇宙学的,因为,它可以被解释为大爆炸早期宇宙中的密度波(声波)扰动的一种遗迹。对这种模型做了下列的分析检验:1.周期成分与非周期成分之比随着样品的增加而逐渐减少;2.对于给定方向上的一组类星体,其周期性应比全天类星体的周期性更显著;3.复合时期之前的Jeans波长应决定这种周期性的波长. 利用这种周期性推得减速参数q_0>0.5。这进一步支持了通过其他途径得到的结论:宇宙可能是封闭的。     

基于伽马射线的类轴子粒子探测及暗物质子晕搜寻研究

目前已经有很多观测证据表明宇宙中存在着大量暗物质,其能量密度占据了目前宇宙总能量密度的1/4.根据高精度的数值模拟和引力透镜观测,我们已经对从矮星系到星系团中的暗物质空间分布有了较好的理解,但是对于暗物质究竟是什么我们还一无所知.由此,物理学家提出了很多假想的粒子模型.     

大尺度质量扰动和速度场的计算

本文在宇宙弦模型中,计算了各种暗物质主导宇宙的大尺度均方质量扰动和速度场。我们的计算结果表明,如果冷暗物质和重子主导字苗在8Mpch~(-1)处引力成团达到非线性或者中微子主导宇宙在z～3时出现Pancake碎裂,则相应的宇宙弦线密度μ均应满足关系式:Gμ>10~(-5),而这样的弦密度将导致宇宙微波背景较大的各向异性并违反大爆炸核合成理论。对大尺度速度场的计算,我们得到了它随距离增大比通常宇宙模型下降得更慢的结果,但它仍不足以解释Collins等最近报告的在50h~(-1)Mpc处v_p=970±300km·s~(-1)的固有速度。因此我们的计算表明,由单一的弦扰动形成观测到的大尺度结构是困难的。双扰动模型有可能是解决困难的一种途径。     

超星系团的宇宙乐章

天文学家正在努力了解宇宙的大尺度结构——它们是如何形成以及是如何影响宇宙膨胀的？ 在最大的尺度上,我们的宇宙看上去就犹如午后无风的湖面,平静、波澜不惊。但是在数亿光年或者更小的尺度上,宇宙则呈现出了物质和巨洞之间的随机、混杂分布。这是一个物质聚集成团的宇宙。     

星系探秘：恒星从何而来？（1）

宇宙中的恒星是怎样形成的,这可能是困扰了人类几千年的问题。万有引力定律发现后,包括伊萨克·牛顿（Issac Newton）在内的一些物理学家猜测,恒星可能是由一些弥散的物质凝聚而成的。随后,几个世纪的天文观测也揭示了天空中确实存在不少这样的弥漫物质（如星云）,也就更加支持了这一猜想。第一个对该猜想进行系统的理论研究的人是英国物理学家詹姆斯·金斯爵士（Sir James Jeans,图1）,他通过考虑介质的密度扰动来探寻星云塌缩与恒星形成的可能性。     

星系为什么会有序排列?

在我们所处的宇宙中,物质分布的最惊人特征之一就是其纤维状的结构,由星系组成明亮而细长的丝线编织出了一张巨大的宇宙网。英仙-双鱼超星系团就是一个绝佳的范例。这个巨大的星系链横贯北天,跨度超过50°。它由一系列较小的纤维结构组成,就像地球上的支流汇聚成大河一样。蕴藏在这些纤维结构中的是高密度的星系群和星系团,位于纤维结构之间的则是硕大的巨洞。     

宇宙大尺度结构数值模拟的研究进展

宇宙的结构是由初始密度扰动发展而成的。在引力和宇宙膨胀的作用下,初始密度扰动不断增长,经过线性和非线性阶段,逐渐演化为现今的宇宙结构。在一个给定的宇宙学模型下,可以用一系列动力学方程来描述宇宙中暗物质和重子物质的运动及演化历史。在过去的几十年间,随着算法的完善和计算机技术的发展,从最初几十个粒子的纯引力模拟到1010个粒子在秒差距量级的多体加流体动力学模拟,大量不同的数值模拟技术被用来研究宇宙结构的形成和演化。在这个过程中,数值模拟的分辨率和精度不断提高,模型中对重子物质物理过程的描述也越来越完善。这些模拟技术与观测结果相结合,使人们对宇宙的大尺度结构以及星系团的形成和演化有了更深刻的理解,也在一定程度上影响了观测的发展方向和设备研发。不同数值模拟结果在纯引力研究方面得到了较好的统一,但不同的星系模型使得流体模拟的结果存在较大的差异。     

类星体的空间分布和与星系成协的统计研究及其演化意义

本文采用了三组具有代表性的类星体观测资料:(1)类星体第二总表,(2)赤纬-40°天区类星体,(3)室女座星系团区类星体。分析的内容包括:类星体红移和星等的大尺度分布,类星体在局部天区内的空间分布,类星体与场星系以及与星系团中亮星系的成协性。 得到的初步结果是:(1)类星体就整体来说其红移和星等在各种尺度上的分布是不均匀的;(2)在局部天区内这种不均匀性表现得更为显著;(3)类星体与场星系的普遍成协性不明显;(4)类星体与星系团中亮星系普遍成协的可能性是统计显著的;(5)类星体在演化上应该具有不同的起源。就其本质来说很可能是宇宙论性和非宇宙论性两者兼之。     

微波背景辐射各向异性的计算中可能出现的偏差

复合期间物质与辐射密度的扰动会引起自由电子的不均匀空间分布,即电离率可能存在着某种与物质和辐射的涨落相对应的空间扰动。这就会使得通常对微波背景辐射各向异性的计算中存在偏差。对较大尺度的扰动(M(?)M_1)通常的计算值可能偏大,而对较小尺度的扰动(M<相似文献   

旋涡星系模型及银河系的物质密度分布

本文假定轴旋涡星系的物质密度分布由三部分组成:平行于星系对称面的层分布,它沿z方向成指数衰减;对称于中心的多球层分布;以及星系中心的高度密集的球核。在这样的假设下,本文求出了星系物质密度分布的分析表达式,并以银河系为例,定出了银河系物质密度分布的具体结果。本文所得结果,与最新观测结论相一致。     

脉冲星射电轮廓中高斯成分在主脉冲和中间脉冲的不同分布

研究了高斯辐射成分在可视点所画出轨迹上的分布,这个可视点因脉冲星的转动而作非匀速度运动.通过假设辐射区域围绕磁轴均匀分布,一个高斯辐射成分便对应于可视轨迹划过的一个辐射区域.因为演示辐射区域在可视轨迹上是不均匀的分布,因此高斯成分沿轨迹也是不均匀的,而高斯成分的密度在磁轴与视线距离最近时为最大.高斯成分的分布取决于脉冲星的两个角度:旋转轴和视线之间的夹角,以及磁轴和旋转轴之间的倾角.基于此模型,一个脉冲星平均轮廓中观察到的多个高斯成分便对应于可视轨迹在特定的转动相位范围内的辐射区域.演示了脉冲星旋转的近侧和远侧的相位,分别对应的主脉冲和中间脉冲,两者高斯成分的数量和分布是不同的.而且还发现,沿可视轨迹上的辐射区域总数与围绕磁轴的辐射区域的总数是不同,并且预测的辐射区域数目会因忽略可见点的运动而明显不同.拟合表明脉冲星轮廓的高斯成分的形状和数量可能与实际构成轮廓的成分的形状和数量不同.以PSR B0826–34的辐射为例,并假设辐射来自单一磁极.     

关于有限厚度旋涡星系中密度-引力势渐近关系的一个注记

本文将指出,为得到有限厚度旋涡星系中平均扰动引力势φ_1(r)与扰动面密度σ_1(r)的渐近关系,以及对称面上的扰动引力势φ_1(r,0)与σ_1(r)的渐近关系,我们不一定要从相应的三维渐近关系出发,而可以用二重级数展开方法直接地、十分简单地导出。所得结果对于紧卷性准确到m~2(kr)~(-2)量级,对于厚度效应准确到 k〈|z|〉量级,其中m为旋臂数,k为径向波数,r为到星系中心的径向距离,〈|z|〉为星到对称面距离的平均值。这样的精度对于讨论有限厚度扁盘状星系中密度波模式及其增长率通常是足够的。本文结果表明:在上述精度下,如采用〈|z|〉表征厚度,则不同纵向密度剖面下的φ_1(r,0)～σ_1(r)渐近关系可表为统一形式;如采用二星纵向平均距离〈|z-z’|〉表征厚度,则不同纵向密度剖面下的φ_1(r)～σ_1(r)渐近关系可表为统一形式。只有比值〈|z-z’|〉/〈|z|〉才是纵向密度剖面的泛函。对于符合物理意义的通常各种不同密度剖面,此比值都甚接近:对于高斯型纵向密度剖面,此比值为2~(1/2);对于 sech~2(z/z_1(r))型剖面,此比值为 1/In2=1.443;对于 exp[-|z|/z_1(r)]型剖面,此比值为1.5。