宇宙膨胀与人类之命运

我们生活在其中的宇宙因星系团之间空间的伸展而膨胀.这是1916年广义相对论方程式所预言的,但甚至爱因斯坦一开始也不接受这一结论.而当埃德温·哈勃(Edwin Hubble)及其同事于1920年代末发现本星群以外星系的红移后,才使天文学家们认识到宇宙正在膨胀."你的腰围在增大这纯粹是生理现象.不能责怪宇宙膨胀."美国德克萨斯大学的物理学家理查德·普赖斯(Richard Price)如是说,他曾计算出有些物体会因宇宙膨胀而伸展而另一些则不然.     

科学家们在星系团的尺度上证实了红移效应

 检验引力现象很简单：通过二楼的窗子走出去(禁止付诸实践),看看会发生什么！但是要想检验爱因斯坦的引力理论--广义相对论,难度就要大得多。该理论的内容是：一个物体的引力会使其周围的空间和时间扭曲。尽管研究人员在太阳系的尺度上证明了广义相对论,但是在整个宇宙的尺度上验证该理论是更具挑战性的。
哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的拉德克·沃杰塔克(Radek Wojtak)带领一组研究人员着手检验广义相对论的一个经典预测：光在逃离引力场的时候会损失能量,引力场越强,光损失的能量就越多。结果,从一个星系团中心散发出来的光子应该比星系团边缘的光子损失的能量更多,因为星系团中心区的引力最强。星系团是包含了成千上万个星系的大型天体系统。因此在波长上,来自星系团中心的光比来自边缘的光更长,移向光谱的红端。这个效应被称为引力红移现象。
沃杰塔克及同事知道,测量单个星系内的引力红移会很困难,因为星系内引力红移效应非常小,而且需要将这种红移效应跟个体星系的轨道速度以及宇宙膨胀造成的红移效应分离开来。研究人员从斯隆数字巡天计划中搜集了8000 个星系团的数据,他们通过平均这些数据处理了这个问题。“这样做是希望通过研究星系团中星系之间的红移分布特点来发现引力红移效应,而不是分别查看各个星系的红移效应,”沃杰塔克解释说。
果然,研究人员发现正像广义相对论预测的那样,星系团中的光发生了红移,而且与到星系团中心的距离成比例。“我们可以测量出星系之间红移效应的微小差别,可以看得出来自星系团中心区星系的光不得不爬出那里的引力场,而来自边缘星系中的光可以较为轻松地散发出来,”沃杰塔克说。2011 年9 月28 日,这些发现发布在《自然》(Nature)杂志在线版上。
除了证实广义相对论之外,这些研究结果也有力地说明了拉姆达冷暗物质宇宙模型。这个已经流行于世的宇宙学模型表明宇宙的大部分是由不可见物质构成的,这种物质与构成恒星和行星的普通物质不发生相互作用。这项检验结果也支持暗能量的存在,暗能量是似乎正在使宇宙膨胀的一种神秘力量。     

暗物质的困境

 远在30年代,天文学家惠兹克已注意到,在星系团中,星系的绕行速度是如此之快,按理,它们无法稳定地呆在星系团中.他推测存在某种看不到的物质,提供了引力“胶质”.70年代,又发现银河系边缘的恒星运动速度,要比理论家预言的快得多,这也暗示着有大量的暗物质弥漫于星际空间.以后,对旋涡星系旋转情况所作的射电和光学观测表明,它们被暗物质晕所包围.分析了很多星系对和星系群的运动之后,人们确信,星系所含物质的总量,要比其可见的大得多.故天文学家断言,宇宙并不仅仅含有组成我们身体、地球和星星的那类通常物质.所谓通常物质,是指由重子(质子、中子等)组成的物质.而其他粒子,诸如电子,它们数量虽多,但对宇宙质量的贡献是很小的.     

邮票上的物理学史(68)--宇宙学

同星系天文学方面的工作相比 ,哈勃更重要的贡献是关于红移 -距离关系的哈勃定律的发现 (图1,圣文森特所属格林纳丁斯 2 0 0 0年 ,2 0世纪重大事件 ,邮票下方的英文是“192 9:哈勃和膨胀的宇宙”) .星系光谱的频移是美国天文学家斯里弗 (V .Slipher)发现的 ,他发现了绝大部分红移和个别同我们距离近的蓝移 .对光谱频移现象最现成的解释是多普勒效应 :红移表示星系离我们而去 .星系的这种退行并不是以我们为中心 ,而是整个宇宙的膨胀 ,如同一个膨胀气球的表面上的各点 ,每一点都相对于其他点退行 .个别星系的谱线蓝移表示离我们距离近的一些星团或星系的本动超过了膨胀运动 .192 9年 ,哈勃利用美国哈佛大学女天文学家勒维特 (H .S .Leavitt)发现的造父变星的周光关系确定星系的距离 ,发现了星系光谱的红移与星系离我们的距离成正比关系 .当时他掌握的资料只有 33个近距离星系的数据 ,距离测量也不准确 ,数据分布非常弥散 ,离拟合的直线很远 .但是后继研究却证明了上面的关系是正确的 .两年后 ,1931年 ,哈勃积累了更多的更远的星系的数据 ,发现这个关系仍然成立 ,而且拟合的质量好多...     

宇宙真空量子涨落、宇宙弦及宇宙不均匀性的起源

宇宙中的物质分布是相当不均匀的,有的地方密度高,有的地方密度低,形成各种尺度的成团结构.例如,星系、星系团、超星系团等是高密度区;巨洞则是低密度区.宇宙学中一个待解决的课题,就是说明为什么会有这种非均匀性. 首先,有很强的证据表明,宇宙在早期是相当均匀的,没有今天所观测到的非均匀性.最主要的证据是微波背景辐射的各向同性.观测证明,3K背景辐射的各向异性不超过万分之一,甚至十万分之一.背景辐射是宇宙早期遗留下来的,因此它的高度各向同性标志着宇宙早期物质分布的均匀性.其他的均匀性证据是:二.各种天体中的氦含量相当一致,按重…     

非奇异宇宙的理想气体自相似模型

通过引力作用下理想气体运动连续性方程的无量纲化,根据量纲理论Π定理,以尺度因子R(t)为物理量统一度量基准,发现了引力作用下理想气体宇宙模型的自相似性和一系列R(t)的解析解.基于R(t),可建立对应的、具有非欧氏几何特性的均匀膨胀时空坐标系S(t,ξ,θ,φ),并获得一个密度ρ为常数、速度u为零、压强p不为零的理想气体宇宙解.在这个解的形式中,光子红移量z所表现的是光子传播距离r,当红移量z较小时两者成正比(即哈勃定律).由均匀膨胀坐标系还可推导出Robertson-Walker度规(k= 关键词： 宇宙 自相似 哈勃定律     

在近代物理学“基础课”中介绍宇宙学概念

目前的近代物理学基础课程包括了狭义相对论、原子物理和量子力学初步,是力学、热学、电磁学和光学的后继课程,应属于普通物理范围。宇宙学则是现代物理的前沿学科,它的基本概念和发展正日益引起人们的关注。我们认为,在近代物理基础课程中向学生介绍宇宙学的一些基本概念是很有必要的、也是可行的。 在讲授狭义相对论时,不少学生很容易把物体的速度不能超过光速推广到整个宇宙。这时我们向学生介绍宇宙学中的哈勃定律,即星系远离地球而去的速度与星系离地球的距离成正比关系:v=H_0d(其中哈勃常数H_0=150公里/秒·千万光年,d是星系离地球的距离,v是星系退行速度)。如果d≥v/H_0(c:光速)则该星系的退行速度将超过光速,它所发出的光于将不能到达我们地球。并向学生简单介绍大爆炸宇宙模型和膨胀宇宙的概念,解释夜为什么是黑的。这时,学生很容易理解夜黑是宇宙膨胀的结果。 讲授完普朗克黑体辐射后,可进一步介绍宇宙学中微波背景辐射概念。指出宇宙背景辐射谱相当于约     

基于神经网络的模板匹配方法求正常星系红移

星系通常分为正常星系(NG)与活动星系(AG)两类。文章提出了一种自动获取NG红移的快速有效方法: (1) 由NG模板根据红移范围Ⅰ: 0.0～0.3与Ⅱ: 0.3～0.5模拟得到两类星系样本, 进行PCA变换获得样本特征向量; (2) 利用概率神经网络设计两类样本特征向量的Bayes分类器; (3) 对于实际NG光谱数据, 利用Bayes分类器进行分类确定其红移的范围, 然后在此范围内进行模板匹配得到红移的准确值。与在整个红移范围内的模板匹配方法相比, 此方法不但节省了50%的模板匹配运算量, 而且还大大提高了红移值测量的精度。文章研究结果对于大型光谱巡天所产生的海量数据的自动处理具有重要意义。     

星系团之间的交流

 虽然大爆炸发生在很久以前,但是宇宙诞生之初产生的热光子仍然弥漫宇宙,形成宇宙微波背景(如图).这些古老的光子揭示了大爆炸许久之后诞生的星系团的运动特点.这些光子穿梭于星系团的热气体中,热气体增加了光子能量,缩短了其波长,导致所谓的苏尼亚耶夫- 泽尔多维奇效应(Sunyaev-Zel'dovicheffect), 亦称SZ 效应, 因两位俄罗斯科学家在天文学家发现之前预言了该效应而得名.不过他们也同时预言星系团的运动也会影响光子,却至今都未观测到.有天文学家在7 月20 日出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters) 报道, 他们已从数以千计的星系中归纳出微弱信号,探测到所谓的运动学苏尼亚耶夫- 泽尔多维奇效应.正如人们所料,该结果发现星系团之间在引力的影响下,倾向于做着相向运动.进一步的观测可能更具启示：这将有助于确定令宇宙膨胀加速的神秘力量的性质.     

一种基于遗传优化的BP神经网络的测光红移估计算法

除了星系的光谱红移之外,星系测光红移的估计也对研究宇宙大尺度结构及演变有着重要的研究意义。利用斯隆巡天项目最新发布的SDSS DR13的150 000个星系的测光及光谱数据,在红移值Z<0.8范围内,先使用SOM自组织神经网络对星系样本进行早型星系和晚型星系的聚类,然后用遗传算法优化后的BP神经网络对星系的测光红移进行估算。估算结果与作为标准的已知星系光谱红移进行比对,早型星系的红移估计最小均方误差约为0.001 3,晚型星系最小均方误差约为0.001 7。实验结果表明,遗传优化的BP算法在精度上优于BP神经网络算法,且效率上优于K近邻、核回归等传统测光红移估计算法。     

从罗伯森到今天的宇宙学

爱因斯坦创立了引力的现代理论——广义相对论.这一理论将引力和宇宙学都几何化了.爱因斯坦本人曾设想过一种空间封闭的定态宇宙.弗里德曼发现(或猜想)了一种爱因斯坦场方程的非定态解.哈勃发现了遥远星系的红移,从而证实了宇宙膨胀演化的观念. 罗伯森采取了一条在逻辑上和数学上都严格的途径.在假定宇宙是严格均匀和各向同性的情况下,他找出了所有可能的“宇宙学”.他的结果和弗里德曼的猜测一致但更为可信. 罗伯森继后还探讨了这个解的所有观测性质:如天体的红移、角大小、亮度等与光从发射到接收所经历的时间的关系. 1965年发现了宇宙微…     

莱曼α森林

直至本世纪六十年代,人类还无法探测到分布在遥远星系际空间的物质.而对这些物质的密度、成分和分布的探测对于了解星系的形成和宇宙演化都是极为重要的. 类星体及其光谱中吸收线的发现为研究星系际物质物理学提供了重要的手段.类星体是宇宙中最“明亮”的天体,因而也是可被观测到的最遥远的天体.迄今观测到的谱线红移最高的类星体.其红移值为Z=4.43,相应的到我们的距离约为宇亩半径的93%.从如此遥远天体发射的光,将通过广阔的星系际空间才能到达地球.星系际空间的物质对光的吸收.将在类星体光谱上产生一系列的吸收线.对这些吸收线的分析研…     

带有背景矢量场的标量场暗能量模型

讨论了带有背景矢量场的动力学标量场作为暗能量在闭宇宙的情形下的演化. 选取适当的标量场势函数后, 在得到的暗能量有效状态方程中, 参数w在红移z≈0.2处可以越过－1, 而且在z≈1.7处宇宙从减速膨胀的状态转变为加速膨胀状态, 这与最近的宇宙学观测相符.     

利用哈勃参数直接诊断标准暗能量模型

正宇宙加速膨胀的发现使得现代宇宙学和理论物理的研究面临一个重大的挑战。包括Ia型超新星、宇宙微波背景辐射(CMB)、重子声波振荡(BAO)等不同的观测方法,都证实了宇宙加速膨胀这一个现象,且探测的结果都和宇宙学常数项Λ不随时间演化的基本假设保持一致。尽管观测结果倾向于此,Λ不随时间演化这一个简单的假设却存在着争议。包括巧合性问题,精细调节问题还是没有得到很好的解决。实际上,很多暗能     

源自弦景观的有效Quintessence

最近V_(afa)等人提出了两个弦沼泽地的判据,并且在研究宇宙学中两个弦沼泽地判据所施加的约束条件时,发现暴胀模型通常与这两个判据很难相容.将这两个判据应用于当前时期宇宙的加速膨胀时,发现特定的quintessence模型可以满足这些限制,同时满足根据当前观测所施加的约束.基于大尺度洛伦兹破缺的宇宙学模型,我们得到了修正的Friedmann方程,在计算的过程中给出了三种可行的近似,并定义了一个有效的真空能量密度Λ_(eff),其行为对于弦景观表现为单调下降的类quintessence势能,对于大部分具有裸的正真空能量密度的沼泽地,有效宇宙学常数随时间的演化会出现局域极小.将光度距离的计算结果与天文观测值做对比,我们得到负宇宙学常数也可以使宇宙产生加速膨胀,因而用亚稳的de Sitter真空来解释宇宙后期的加速膨胀是不必要的,沼泽地猜想所导致的沼泽地模型与后期宇宙加速膨胀不相容性的困难也就不存在了.     

一种新的活动星系光谱红移自动测量方法

星系红移的自动测量对进行大样本天文学研究如宇宙学大尺度结构研究具有重要意义。星系一般分为正常星系和活动星系两种,活动星系光谱一般具有较明显的发射线特征。文章提出了一种不用精确提取谱线而快速测量活动星系光谱红移的方法。该方法包括步骤：(1)对待测光谱进行去噪;(2)利用小波变换提取低频成分光谱,并用去噪后光谱减去低频谱得到残差谱;(3)计算残差谱的均方差,并保留大于阈值的波长集合(4)根据标准谱线表计算所有候选红移;(5)利用Parzen窗估计方法计算红移密度最大点,并在邻域内求均值确定最终红移。对模拟数据和SDSS DR7部分实测数据的测试表明,该方法是鲁棒的并且具有较高的红移测量正确率。     

基于粒子群优化算法的测光红移回归预测

星系的红移在天文研究中极其重要,星系测光红移的预测对研究宇宙大尺度结构及演变有着重要的研究意义。利用斯隆巡天项目发布的SDSS DR13的150 000个星系的测光及光谱数据进行分析,首先根据颜色特征并基于聚类的方法对星系进行分类,由分类结果可知早型星系的占比较大。对比了三种不同的机器学习算法对早型星系进行测光红移回归预测实验,并找出最优的方法。实验中将星系样本中u, g, r, i, z五个波段的测光值以及两两做差得到的10个颜色特征作为输入数据,首先构建BP网络,使用BP算法对星系的测光红移进行回归预测;然后利用遗传算法（GA）优化BP网络各层参数,将优化后的GA-BP算法应用于早型星系的回归预测试验中。考虑到GA算法的复杂操作会影响预测效率,并且粒子群算法（PSO）不仅稳定性高且操作简单,因此将粒子群算法应用到星系样本中早型星系的测光红移回归预测实验中,进而采用粒子群算法优化BP网络（PSO-BP）。实验中将光谱红移作为期望值,采用均方差（MSE）作为误差分析指标来评判三种算法的精度,将PSO-BP回归预测结果与BP网络模型、GA-BP网络模型进行比较。由实验结果可知,BP网络的MSE值为0.001 92,GA-BP网络的MSE值0.001 728,PSO-BP网络的MSE值为0.001 708。实验结果表明,所用到的PSO-BP优化模型在精度上优于BP神经网络模型和GA-BP神经网络模型,分别提高了11.1%和1.2%;在效率上优于传统的K近邻（KNN）测光红移估计算法, 克服了KNN算法中遍历所有数据样本进行训练的缺点并且其泛化性能优于其它BP网络优化模型。     

哈勃张力的暗能量解

正宇宙膨胀速率的测量值之间的差异问题,可以通过增添一项额外的暗能量方式来解决。由哈勃常数描述的宇宙膨胀的速率,长期以来一直是一个难以确定的量。目前确定哈勃常数的两种策略是有冲突的,而这种张力数据似乎总是在每次发布后变得更糟。一种新的理论表明,解决方案可以通过增加一种额外类型的暗能量实现,这种额外的暗能量在星系出现之前很久,就曾短暂地加速了宇宙膨胀。通过测量目标(通常是超新星)离我们而去的退行速     

暗物质研究新进展

 “暗物质”在现代天文学中指的是占有宇宙中绝大部分质量的、却不以我们可测的形式发光的物质形态。研究暗物质是现代宇宙学一个重要课题,暗物质的存在可以解释星系的一些反常动力学特征,及引力透镜等许多现象;暗物质的数量多少可以决定宇宙的膨胀可否一直进行下去,还可以从临界密度的角度检验暴胀宇宙论;而对暗物质的具体物质形态进行研究,则更是一个涉及多个学科领域的很有,吸引力的研究领域。     

一种基于非线性降维求正常星系红移的新方法

提出了一种确定正常星系红移的有效方法,该方法分为以下3个步骤:(1)利用四阶小波系数作为正常星系的特征表示,它能较好地反映吸收线、跳变点和吸收带的信息;(2)利用非线性降维方法LLE(locally linear embedding)将特征数据映射到三维空间中一维流形;(3)由一维流形上的红移分布数据,根据最近邻方法得到正常星系的红移值.实验表明,文中所给的方法较文献中通常使用的PCA方法对于红移的确定具有更高的精度.