WMAP:宇宙学研究的新纪元

2003年2月1日,美国科学家公布了威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星(Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe,WMAP)关于宇宙微波背景在各个方向的分布图,精确展示了宇宙大爆炸后38万年(即目前宇宙年龄的三万分之一)时的宇宙物质空间分布,为研究宇宙的起源和演化提供了宝贵的观测资料.     

宇宙膨胀的减速

在现代标准宇宙学模型中,有两个重要的参量;哈勃常数H_0及减速因子q_0。哈勃常数标志着现今宇宙的膨胀速率,它和目前宇宙的年龄t_0有直接的关系.宇宙年龄大体上就等于哈勃常数的倒数,即t_0≈H_0~(-1)。自从1929年啥勃首次确定H_0值以来,测量方法     

光明山球粒陨石宇宙射线暴露年龄及气体及气体

光明山球粒陨石稀有气体同位素分析结果表明,宇宙成因核素³He,²¹Ne及³⁸Ar的宇宙射线暴露年龄分别为65, 80和65 Ma, 平均为70 Ma,这是目前高铁普通球粒陨石(H群球粒陨石)中暴露年龄最高的陨石;K-Ar及U,Th-⁴He气体保存年龄分别为(4230±100)和(3300±60) Ma.宇宙成因³He暴露年龄小于²¹Ne年龄,放射性成因⁴He保存年龄小于⁴⁰Ar年龄,表明该陨石在碰撞破裂脱离母体后70 Ma的暴露期间,可能由于小的近日距轨道受到太阳加热,导致³He和⁴He的同步丢失.     

de Sitter时空背景中具有整体单极的蒸发黑洞的度规

现今人们一般认为,宇宙的演化可由暴涨宇宙模型较好地描述.在早期宇宙的演化过程中,当周围温度低于临界大统一温度(T_(GUT)—10~(16)GeV)时宇宙进入暴涨阶段.此时宇宙中真空能量将占主导地位,相应的有效宇宙常数为(?)～(T_(GUT)~2/m_P)(m_p为普郎克质量～10~(19)GeV),宇宙进入de Sitter指数膨涨相,其时空度规可表为:     

验证宇宙暴涨说

欧洲航天署(ESA)研制的普朗克(Planck)卫星于2009年5月14日发射升空,该卫星的主要任务是通过探查宇宙微波背景(CMB)的各向异性及证实B模(B-mode)引力波的存在来验证宇宙暴涨说.     

揭开宇宙之谜的七大新论

人类对宇宙的研究已取得了惊人的进展,但在整个宇宙论的研究领域,依然存在着不少悬念和难以解答的问题。近几年来,人类终于确认了宇宙的年龄为137亿年,并公认为宇宙最初起源于刚刚诞生时的大爆炸。为了观测宇宙诞生初期发射的光,即观测某种宇宙微波的背景放射现象,人类已经发射了微波观测卫星(WMAP)。 尽管人类已作出不懈的努力,但仍没有一套能解释整个宇宙产生之谜的完整确凿的理论,有些解释     

D-维时空中的三次量子化

自Hartle和Hawking.Vilenkin在量子引力的框架中探讨宇宙的量子创生以来,量宇宙学已经历了3个发展阶段:(1)单个宇宙的量子理论,(2)Wormholes的机制及空间的拓变化,(3)多宇宙体系的量子理论,3次量子化-即宇宙量子场论.显然,研究这个时(≈10~(-43)S)宇宙的性质对我们完整地认识宇宙是十分重要的.     

确定宇宙年龄的一种新方法

天文学家一直迫切希望找到一种确定宇宙年龄的新方法。宇宙年龄——从宇宙由超密态经所谓大爆炸而产生起所经过的时间——与宇宙膨胀减慢的速度有联系。再者,这种联系将有一天告诉我们宇宙是否将永远膨胀下去(宇宙是开放的),或者宇宙最终将停止膨胀,然后经“大坍缩”收缩到原来的超密     

暗能量和加速膨胀的宇宙

1998年发现的宇宙加速膨胀是当代科学中最重大的课题之一.理论上,宇宙的加速膨胀可能意味着当前宇宙中约三分之二的能量密度是由一种新的能量组分,即暗能量所提供的也可能意味着爱因斯坦提出的广义相对论在宇宙学尺度上需要修正.暗能量和修正引力这两种完全不同的物理机制可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但却预言不同的结构形成过程.因此,我们可以通过观测宇宙的大尺度结构形成和演化来区分这两种不同的物理机制,揭示宇宙加速膨胀背后的物理规律.宇宙大尺度星系巡天是研究宇宙加速膨胀机制的重要探针之一.基于星系巡天,我们可以通过测量重子声波振荡(baryonic acoustic oscillations,BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions,RSD)两种特殊的星系成团属性,同时测量宇宙的背景膨胀和结构形成历史,进而分别开展暗能量性质以及引力研究.SDSS(Sloan Digital Sky Survey)三期的BOSS(Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)巡天是近期完成的世界最大规模的星系巡天.通过对10000平方度左右天区的观测,BOSS获取了近一百万条星系光谱.基于BOSS的观测,我们对暗能量和引力性质开展了深入研究,并发现了暗能量的动力学迹象.目前正在巡天的e BOSS(extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)项目以及后续的DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)和PFS(Prime Focus Spectrograph)等大型巡天将在更高的红移、以更高的精度测量BAO和RSD,这将为宇宙加速膨胀机制的研究提供关键的观测支持.     

用宇宙背景探测卫星观察大爆炸辐射

美国国家航空航天局(NASA)正着手一项价值2亿3千万美元的航天任务,目的是研究150亿年前这个宇宙是如何由一次物质的大爆炸演化而来的.一般认为,宇宙中所有的星系,它的恒星、行星均由大爆炸所形成.按计划,1989年11月底将把一个宇宙背景探测卫星(COBE)发射上天.这个卫星重2.5吨,是专门设计来研究有关大爆炸理论的大多数基本科学问题的.这些问题包括:     

照亮通向加速膨胀宇宙之路

在罗伯特·基什内尔(Robert Kirshner)的大会学术报告中,这位哈佛大学的天体物理学家带领听众穿越了137亿年的宇宙演化史,以及一百年的人类对宇宙的研究史——他甚至还在报告过程中吃了一小片南瓜饼.     

大宇宙

还在远古,当古希腊罗马的哲学家提出最早的"宇宙系统"时,研究宇宙学的问题就已使学者们踌躇不安.宇宙概念的含义随着科学发展而变化.哥白尼(Коперник)和开普勒(Кеплер)的宇宙,实际上并未超出太阳系的范围.这个范围内的恒星,是处在"由冰和晶体"组成的、按现代宇宙尺度来说半径是极小的天球之中.研究所及的宇宙部分的边界不断在扩大.在18世纪和19世纪的交合点上,多亏赫歇尔(Гершель)的研究方出现了总星系的图景,这是一     

波澜壮阔的宇宙学大革命

公元2003年2月11日,威尔金森宇宙微波背景各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP)的第一年结果发布.至此,一场波澜壮阔的宇宙学大革命告一段落.然而经过几代人近百年探索之后展现在人类面前的宇宙,竟是如此陌生,远远超出人类最伟大智慧的想象!     

宇宙学的新动向

首先介绍观察宇宙学方面的一些新动向: 3K微波背景辐射的各向异性1965年彭齐阿斯和威尔逊发现了各向同性的宇宙微波背景辐射,这对均匀的、各向同性的标准宇宙模型(弗里德曼模型)是个有力的支持.然而,1978年美国普林斯顿大学的威尔金森(Wilkinson)及加里福尼亚大学贝克莱实验室的斯莫特(Smoot)等人,各自独立地发现在微波背景辐射中存在着偶极的各向异性,辐射温度最高点在狮子座a星方向,最大温度超过平均值3.5×10~(-3)K.对此可以看作是宇宙非各向同性的证据,即宇宙的整体可能既有切向运动又有转动.但由于这个各向异性是偶极分布的,因此也可以解释为:地球相对于微波背景辐射有一个速度为390公里/秒的运动,正是这个运动引起的多普勒效应使人们观察     

未来50年的宇宙之旅

2015年启用太空梯 美国国家宇宙委员会(UJSNCC)报告书的第一要点,是开发通往宇宙的、既安全又便宜的运输手段.2009年一家位于美国西雅图的公司主动挑起了制造太空梯的重担.目前美国航空航天局的高级设计研究所已投资制造太空梯,全部资金大约需要70～100亿美元.     

ISOCAM软件的改进和锶同位素比值的高精度测量

自从1969年Wasserburg等把计算技术应用于同位素质谱分析以后,使同位素分析精度和同位素地质学得到迅速发展。第二年,还是Wasserburg及其同事以高精度的锶同位素分析,得到了Colomera铁陨石的年龄,同时得到了一个等于0.698990±0.000047的宇宙中~(87)Sr/~(86)Sr的初始比,称为BABI(Basaltic Achondrite Best Initial)。几年之后,地质年代学家们     

新型原子钟140亿年内误差不超1/10秒

近日,美国科学家利用量子纠缠现象设计出一种原子钟,哪怕其运行约140亿年(大约是当前宇宙的年龄),该原子钟也可将时间精度保持在1/10秒之内.量子纠缠有助于减少测量原子钟用来保持时间的原子振荡所涉及的不确定性.     

突破红移记录,搜寻宇宙第一缕星光

一天文小组宣称 ,他们用欧洲南方天文台的甚大望远镜 (VLT)发现了迄今尚未记录过的最大红移值的天体 ,但这一新的记录估计也不会保持多久 .法国米迪天文台的RoserPello和他的四位同事说 ,他们已认证出一非常暗弱的红移值为 10 0的星系状碎片 ,这意味着我们已观察到宇宙创生大爆炸后4 6亿年 (现在宇宙年龄的 3 5 % )的时刻 ,即跟随大爆炸而来的“黑暗时代”终结时出现第一缕星光的时刻 .观察者们是利用室女座内的前景星系团Abell1835做为强大的引力透镜发现这一星系碎片的 .引力透镜效应使观测到的该碎片内暗弱星光增强了 2 5至 10 0倍 …     

LAMOST与暗能量

2003年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)通过天文观测对宇宙学参数进行的精确测量,强有力地支持了一个以暗能量、暗物质为主的暴胀宇宙模型.这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉成就.这一成果被美国<科学>杂志选为2003年度世界十大科技进展,引起了科学界和社会各界的广泛关注.     

星系红移巡天宇宙学——探索暗能量

宇宙时空的加速膨胀是20世纪自然科学最伟大的发现之一,探索其背后的物理机制是当前物理学和天文学的关键科学任务.在此研究领域,亟待解决的问题包括:(1)如何从海量观测数据中提取暗能量相关的核心信息?(2)暗能量是否具有动力学性质?(3)暗能量的本质是什么?暗能量研究的主要方法是联合多种探测手段,通过精准测量宇宙的膨胀率和结构形成来获取暗能量性质.大型星系红移巡天为暗能量研究提供了关键的数据支持.我们从巡天样本中提取重子声波振荡(baryon acoustic oscillations, BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions, RSD)等重要的宇宙学探针,分别用于测量宇宙的膨胀率和结构增长率,开展暗能量研究.大型巡天项目斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)已成功获取了百万量级的高质量星系光谱,测绘了迄今为止最大的宇宙三维图像,并将宇宙距离测量精度提高到1%,在高精度暗能量检验中发挥至关重要的作用.本文主要介绍过去10年内国际上最大的星系红移巡天项目——SDSS三期的重子振荡光谱巡天(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, BOSS,2009～2014年)和四期的拓展重子振荡光谱巡天(extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, eBOSS,2014～2019年),以及我们依托BOSS和e BOSS巡天开展暗能量研究方面的最新进展.