宇宙微波背景辐射

大学天文学宇宙微波背景辐射，内容有宇宙微波背景辐射、其各向异性、爱因斯坦时空观、宇宙加速澎胀、极早期宇宙，快来看。

宇宙微波背景辐射

• 宇宙微波背景辐射
  • 能量密度
    • 物质主导的部分携带能量密度与空间尺度关系
      • ε∝R^-3
    • 辐射
      • ε∝R^-4
    • 可见，随着宇宙的膨胀，辐射的能量密度下降更快
  • 余晖
    • 黑体辐射
      • 原因
        • 早期宇宙物质密度和辐射密度均极大
        • 宇宙是光学厚的
      • 公式
        • L＝4πR²σT^4
        • λmT＝b
      • 随着宇宙膨胀，R增加，温度下降，则余晖峰值λm红移
    • 物质提供能量
      • 重子物质提供能量
        • 公式
          • L＝Mc²/t
      • 暗物质
        • 十倍于重子物质
    • 微波波段
• 其各向异性
  • 角功率谱
    • 描述宇宙微波背景辐射在不同尺度上各向异性的能谱
    • 观测上
      • 角功率谱等价于测量不同尺度宇宙微波背景辐射的温度涨落
    • 数学上
      • 角功率谱相当于对整个天球的宇宙微波背景辐射用球谐函数展开
    • 物理上
      • 角功率谱不同角标的涨落对应不同的物理过程
        • 在远大于1º的尺度
          • 宇宙微波背景辐射的涨落都差不多
          • 原因
            • 这些尺度对应的物理距离太大，哪怕是光也无法走过这样的距离
            • 在这个尺度以上，空间的两点之间不存在因果关联，所有温度的涨落都是原初的
            • 原初背景涨落源于宇宙早期尺度极小时的量子不确定性， 随着宇宙膨胀而被放大成为背景温度的起伏
        • 在0.1º～1º的尺度上
          • 宇宙微波背景辐射的涨落呈现出显著的尺度相关性， 这些涨落峰统称为声学峰
            • 对比不同声学峰，可以推测宇宙早期的暗物质和重子物质含量
          • 重子声学振荡
            • 物质在压力和引力的作用下的振荡
            • 原则上它可以产生不同尺度的团块
            • 振荡的团块产生声波，以声波往外传播
          • 存在一个最大概率的尺度，对应光子在脱耦时的声波往外穿出的尺度 这个尺度对应宇宙微波背景辐射的第一峰
  • 宇宙微波背景辐射是宇宙年龄为零时发出的光吗
    • 不是
    • 来源于宇宙变透明之后那一刻的辐射 （已知的最后散射面）
      • 最后散射面
        • 以观察者为中心的可观测宇宙半径，是宇宙从不透明变得透明的界限
        • 光子和电子耦合，观察者无法观测更之前的宇宙面貌
        • 原子核俘获电子成为中性原子，光子与电子退耦合
  • 宇宙曲率
    • 观测方法
      • 对比理论预言的重子声学振荡的典型尺寸与实际观测到的尺寸
    • 重子声学振荡
      • 其印记被储存在宇宙后期的物质分布中
      • 早期重子物质的分布成长为后来星系的典型尺寸，并随着宇宙的膨胀而放大
• 爱因斯坦时空观
  • 广义相对论
    • 是在有物质存在的情况下，时空中两点之间间隔该怎样从几何上描述， 以及物质在这样的时空中怎样运动的科学
  • 时空
    • 时空不是一个数学上的参考系，而是一个能够和物质发生相互作用的物理实体
  • 观点
    • 物质告诉时空如何弯曲 时空告诉物质如何运动
    • 时空本身可以与物质发生相互作用而改变自身形态， 反过来又改变物质的分布和运动状态
  • 推论
    • 万有引力只是由于时空弯曲产生的一种轨道效应
    • 一切在时空中运动的物体都应对这种弯曲产生响应，包括没有静质量的光子
  • 等效原理
    • 万有引力 ma＝GmM/r²
      • 产生万有引力的恰好是物体的惯性质量
      • 在引力场中所有物体的加速度都相同
    • 库仑力 ma＝KqQ/r²
      • 静电场中物体的加速度依赖于它们的荷质比
    • 原因是爱因斯坦时空观
      • 因为在（所谓）引力场中加速的物体本质上都是对同一个弯曲时空的响应
      • 万有引力等价于一个以适当加速度运动的参考系，在任何一个时空点，可以通过选取适当参考系， 使得引力局部被消除，从而构造一个局部的惯性系
    • 结论
      • 无法通过任意物理学效应来区分处于引力场中的和正在加速运动的两个参考系
  • 爱因斯坦场方程
    • 时空结构必须满足爱因斯坦场方程
  • 广义相对论预言
    • 宇宙本身可以有曲率
      • 几何方法：三角形的内角和，两平行线是否相交
    • 宇宙不是静态的
      • 由于物质本身能够弯曲时空，因此宇宙的演化与宇宙包含的物质总量息息相关 存在临界密度参数Ω0，决定宇宙曲率半径能否停止增大
• 宇宙加速膨胀
  • 哈勃定律
    • 视向速度与距离成正比
    • v＝H0D
  • 绘制v-D图
    • 在大距离上星系的退行速度小于哈勃定律的预测
    • 表明宇宙正在加速膨胀
  • 解释
    • 存在暗能量，对宇宙整体起着排斥作用
  • 宇宙膨胀会结束吗
    • 阻止宇宙膨胀的因素
      • 物质
        • 物质的能量密度随宇宙半径三次方下降
      • 辐射
        • 辐射的能量密度随宇宙半径的四次方下降
    • 促进宇宙膨胀的因素
      • 暗物质
        • 暗物质的能量密度为常数
    • 不会
• 极早期宇宙
  • 辐射占绝对主导地位
    • 极高温度和能量密度下的辐射场会产生粒子对
  • 对称性破缺
    • 极早期宇宙，光子激发正反粒子对和正反粒子对湮灭达到动态平衡
    • 但实际上，物质的量略微超过反物质的量，在宇宙膨胀冷却之后残留了下来，作为物质留到至今
  • 过程
    • 质子和中子从辐射场冻结出来
    • 质子和中子形成原子核，原初核合成开始
    • 电子从辐射场中冻结，宇宙的物质创生结束
    • 宇宙温度下降，原初核合成结束

宇宙微波背景辐射

• 宇宙微波背景辐射
  • 能量密度
    • 物质主导的部分携带能量密度与空间尺度关系
      • ε∝R^-3
    • 辐射
      • ε∝R^-4
    • 可见，随着宇宙的膨胀，辐射的能量密度下降更快
  • 余晖
    • 黑体辐射
      • 原因
        • 早期宇宙物质密度和辐射密度均极大
        • 宇宙是光学厚的
      • 公式
        • L＝4πR²σT^4
        • λmT＝b
      • 随着宇宙膨胀，R增加，温度下降，则余晖峰值λm红移
    • 物质提供能量
      • 重子物质提供能量
        • 公式
          • L＝Mc²/t
      • 暗物质
        • 十倍于重子物质
    • 微波波段
• 其各向异性
  • 角功率谱
    • 描述宇宙微波背景辐射在不同尺度上各向异性的能谱
    • 观测上
      • 角功率谱等价于测量不同尺度宇宙微波背景辐射的温度涨落
    • 数学上
      • 角功率谱相当于对整个天球的宇宙微波背景辐射用球谐函数展开
    • 物理上
      • 角功率谱不同角标的涨落对应不同的物理过程
        • 在远大于1º的尺度
          • 宇宙微波背景辐射的涨落都差不多
          • 原因
            • 这些尺度对应的物理距离太大，哪怕是光也无法走过这样的距离
            • 在这个尺度以上，空间的两点之间不存在因果关联，所有温度的涨落都是原初的
            • 原初背景涨落源于宇宙早期尺度极小时的量子不确定性， 随着宇宙膨胀而被放大成为背景温度的起伏
        • 在0.1º～1º的尺度上
          • 宇宙微波背景辐射的涨落呈现出显著的尺度相关性， 这些涨落峰统称为声学峰
            • 对比不同声学峰，可以推测宇宙早期的暗物质和重子物质含量
          • 重子声学振荡
            • 物质在压力和引力的作用下的振荡
            • 原则上它可以产生不同尺度的团块
            • 振荡的团块产生声波，以声波往外传播
          • 存在一个最大概率的尺度，对应光子在脱耦时的声波往外穿出的尺度 这个尺度对应宇宙微波背景辐射的第一峰
  • 宇宙微波背景辐射是宇宙年龄为零时发出的光吗
    • 不是
    • 来源于宇宙变透明之后那一刻的辐射 （已知的最后散射面）
      • 最后散射面
        • 以观察者为中心的可观测宇宙半径，是宇宙从不透明变得透明的界限
        • 光子和电子耦合，观察者无法观测更之前的宇宙面貌
        • 原子核俘获电子成为中性原子，光子与电子退耦合
  • 宇宙曲率
    • 观测方法
      • 对比理论预言的重子声学振荡的典型尺寸与实际观测到的尺寸
    • 重子声学振荡
      • 其印记被储存在宇宙后期的物质分布中
      • 早期重子物质的分布成长为后来星系的典型尺寸，并随着宇宙的膨胀而放大
• 爱因斯坦时空观
  • 广义相对论
    • 是在有物质存在的情况下，时空中两点之间间隔该怎样从几何上描述， 以及物质在这样的时空中怎样运动的科学
  • 时空
    • 时空不是一个数学上的参考系，而是一个能够和物质发生相互作用的物理实体
  • 观点
    • 物质告诉时空如何弯曲 时空告诉物质如何运动
    • 时空本身可以与物质发生相互作用而改变自身形态， 反过来又改变物质的分布和运动状态
  • 推论
    • 万有引力只是由于时空弯曲产生的一种轨道效应
    • 一切在时空中运动的物体都应对这种弯曲产生响应，包括没有静质量的光子
  • 等效原理
    • 万有引力 ma＝GmM/r²
      • 产生万有引力的恰好是物体的惯性质量
      • 在引力场中所有物体的加速度都相同
    • 库仑力 ma＝KqQ/r²
      • 静电场中物体的加速度依赖于它们的荷质比
    • 原因是爱因斯坦时空观
      • 因为在（所谓）引力场中加速的物体本质上都是对同一个弯曲时空的响应
      • 万有引力等价于一个以适当加速度运动的参考系，在任何一个时空点，可以通过选取适当参考系， 使得引力局部被消除，从而构造一个局部的惯性系
    • 结论
      • 无法通过任意物理学效应来区分处于引力场中的和正在加速运动的两个参考系
  • 爱因斯坦场方程
    • 时空结构必须满足爱因斯坦场方程
  • 广义相对论预言
    • 宇宙本身可以有曲率
      • 几何方法：三角形的内角和，两平行线是否相交
    • 宇宙不是静态的
      • 由于物质本身能够弯曲时空，因此宇宙的演化与宇宙包含的物质总量息息相关 存在临界密度参数Ω0，决定宇宙曲率半径能否停止增大
• 宇宙加速膨胀
  • 哈勃定律
    • 视向速度与距离成正比
    • v＝H0D
  • 绘制v-D图
    • 在大距离上星系的退行速度小于哈勃定律的预测
    • 表明宇宙正在加速膨胀
  • 解释
    • 存在暗能量，对宇宙整体起着排斥作用
  • 宇宙膨胀会结束吗
    • 阻止宇宙膨胀的因素
      • 物质
        • 物质的能量密度随宇宙半径三次方下降
      • 辐射
        • 辐射的能量密度随宇宙半径的四次方下降
    • 促进宇宙膨胀的因素
      • 暗物质
        • 暗物质的能量密度为常数
    • 不会
• 极早期宇宙
  • 辐射占绝对主导地位
    • 极高温度和能量密度下的辐射场会产生粒子对
  • 对称性破缺
    • 极早期宇宙，光子激发正反粒子对和正反粒子对湮灭达到动态平衡
    • 但实际上，物质的量略微超过反物质的量，在宇宙膨胀冷却之后残留了下来，作为物质留到至今
  • 过程
    • 质子和中子从辐射场冻结出来
    • 质子和中子形成原子核，原初核合成开始
    • 电子从辐射场中冻结，宇宙的物质创生结束
    • 宇宙温度下降，原初核合成结束