2019年诺奖解读：物理宇宙学

 2019年10月8日,瑞典皇家科学院宣布将今年的诺贝尔物理学奖的一半授予詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）,以表彰他在物理宇宙学方面的理论贡献和发现。詹姆斯·皮布尔斯,1935年生于加拿大温尼伯,现为美国普林斯顿大学教授。在过去几十年中,他在宇宙微波背景辐射（CMB）,宇宙中的结构形成,暗物质和暗能量等众多方向做出了重大贡献。他是现代宇宙学大厦的主要奠基者之一。     

2019年诺奖解读：物理宇宙学

<正>2019年10月8日,瑞典皇家科学院宣布将今年的诺贝尔物理学奖的一半授予詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles),以表彰他在物理宇宙学方面的理论贡献和发现。詹姆斯·皮布尔斯,1935年生于加拿大温尼伯,现为美国普林斯顿大学教授。在过去     

从流浪地球到宇宙迷航——2019年诺贝尔物理学奖解读

2019年诺贝尔物理学奖同时授予了系外行星和宇宙学领域,诺奖委员会给出的理由是"为我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出的贡献"。这两个领域在近二三十年内展现出了蓬勃的生机,系外行星和外星生命的研究到了本世纪伴随先进技术的发展有了爆发式的发现;进入新世纪后,宇宙学领域已经获得4次诺贝尔奖,分别是宇宙背景探测者卫星、宇宙加速膨胀的发现、引力波的探测,以及此次诺贝尔物理学奖,它们使当代宇宙学获得了广阔的发展前景。文章就本次诺奖热点话题展开,对系外行星和宇宙学两大领域做概括性的科普解读。具体介绍马约尔和奎洛兹在系外行星领域的发现,系外行星的探测手段和发展前景,以及宇宙学领域的发展简史,皮布尔斯在该领域的贡献,和目前宇宙学领域的一大研究热潮,即原初引力波的探测。作者借此文抛砖引玉,期待更多年轻学者能加入到天文学和宇宙学的研究中,在新时代的浪潮下推动该领域获得更重大的突破。     

中微子宇宙学

 中微子在许多方面影响了宇宙的演化,是宇宙学研究中不可忽视的一种重要粒子。另一方面,宇宙学观测也为测定中微子的种类、质量和性质提供了强有力的工具。本文略述宇宙背景中微子的产生、对原初核合成的作用、中微子在宇宙结构形成中的影响,进而说明根据这些作用,可以利用现代宇宙学观测数据对中微子给出的测量和限制结果。     

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     

人类认识宇宙的足迹

人类认识宇宙经历了漫长的过程。天文学的不断发展对于历代哲学和科学技术的进步不断提出挑战。宇宙是怎样起源和演化的？宇宙的结构究竟如何？我们的宇宙将来结局如何甲这些仍然是现代宇宙学面临的课题。为了理解现代宇宙学,在这期彩色插页里,我们以一些精彩的画面回眸一下人类探索宇宙的历程,或许可以使我们更好地认识和理解宇宙学最新的发展方向。     

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…     

关于宇宙学常数问题的知识要点和几点思考

大爆炸宇宙学告诉我们,宇宙正在膨胀。如果我们的宇宙主要包含的是基本粒子型物质,那么宇宙将是减速膨胀。但是,对于今天我们观测到的宇宙来说,发现它在最近过去的几十亿年间却在加速膨胀!这预示着,宇宙中的主要能量形态不是基本粒子型物质,而是某种新的能量形态。对这种“新的”能量形态,其实科学家早有察觉和分析。它的最简单的可能性就是宇宙学常数。然而宇宙学常数的物理本质和内容却并不简单。这篇短文,就是主要介绍了宇宙学常数的一些基本知识和我们对它的一些思考。爱因斯坦方程中最自然出现的一项是宇宙学常数(简称cc)项,cc的值任意…     

反物质和暗能量

 上个世纪,人类在探索宇宙奥秘和物质基本结构及其相互作用的道路上取得了辉煌的成就,建立了描述微观世界的粒子物理标准模型和描述宇观世界的大爆炸宇宙学标准模型。粒子宇宙学将微观世界和宇观世界、粒子物理学和天文学结合起来,研究早期宇宙这一极端条件下的物理规律,探讨基本粒子的相互作用的统一。近代宇宙学研究表明,在宇宙演化过程中经历了暴涨(Inflation)阶段。基于粒子物理的标量场理论,暴涨宇宙学不仅为经典大爆炸宇宙模型中的初始条件和疑难给予了答案,而且提供了一个描述宇宙大尺度结构成因的合理理论,并为近年观测所支持。     

宇宙加速膨胀与天文观测

 宇宙加速膨胀深刻地影响了现代宇宙学研究,同时对于基础物理也提出了重大的挑战。它的发现荣获了2011年的诺贝尔物理学奖。     

暴涨——宇宙年少时

热大爆炸宇宙学的成功：宇宙学的标准模型 工业上一种产品的成功,莫过于成为业界的标准。同样地,科学中一个理论的成功,莫过于被誉为标准模型。热大爆炸宇宙学,正是这样一个标准模型。在介绍今天故事的重点——暴涨之前,让我们回顾一下,作为现代宇宙学的标准模型,热大爆炸宇宙学,如何描述宇宙的现状、过去和未来。我们的宇宙,从诞生至今,已经有137亿岁了。这相当于人类几千年文明史的几百万倍。宇宙浩瀚无垠,当今科学尚不能确定整个宇宙空间的大小,是有限还是无限。然而,我们能观测到的宇宙总是有限的。     

弱引力透镜成为精确的巡天科学

正对暗能量巡天(DES)第一年数据的分析显示:利用弱引力透镜效应限制宇宙学参数的精度可与微波背景辐射观测相媲美。基于广义相对论,科学家经过几十年的努力成功地建立了宇宙学模型,即宇宙学常数Λ非零的冷暗物质(ΛCDM)模型。该模型解释了宇宙演化的方方面面,从原初均匀的等离子体到我们如今看到的行星、恒星和星系这一不均匀宇宙。不幸的是,ΛCDM模型与粒子物理标准模型有冲突,后者无法解释ΛCDM宇宙中的两个重要成分:约     

宇宙中暗物质分布的线索

正暗物质占宇宙物质的85%。天文学和宇宙学观测表明,暗物质影响着宇宙的演化,在星系的分布及宇宙大尺度结构中留下其印记。近来,意大利Turin大学的Ammazzalorso、斯坦福大学的Daniel及其同事探测到了一种信号,可用来揭示暗物质的性质。研究团队将暗能量巡天(DES)与费米大面积望远镜(LAT)的观测结果相比较,发现引力透镜位置与γ射线位置之间重要的     

宇宙背景辐射各向导性测量的新结果

2.7K宇宙背景辐射的发现是现代天文学的重大成就之一。测量宇宙背景辐射中大尺度的各向异性则是了解宇宙整体性质的重要手段。已经观测到宇宙背景辐射幅度为3mk的一阶(偶极)各向异性。也有人在研究宇宙背景辐射更高阶(如四极)的各向异性,并曾报告过幅度为1mk的四极备向异性的结果[1]。如果这种四极各向异性能够得到证实,它将反映宇宙的大尺度结构,它可能起源于宇宙的密度涨落,因而对宇宙学研究来说,会是很有价值的新发现。 近年来,美国加州大学及普林斯顿大学的Lubin及 Fixsen等人分别在3mm及l.Zcm波段对宇宙背景辐射的各向异性进行了高精…     

宇宙背景辐射中各向异性测量的新结果

2.7K宇宙背景辐射的发现是现代天文学的重大成就之一.测量宇宙背辐射中大尺度的各向异性则是了解字苗整体性质的重要手段。 已经观测到宇宙背景辐射幅度为3mK的一阶(偶极)各向异性,这是由于我们相对于背景辐射运动的结果.有人在研究宇宙背景辐射更高阶(如四极)的各向异性,并曾报告过幅度为1mK的四极各向异性[1].四极各向异性可能起源于宇宙的密度涨落,如果这一结果能够得到证实,它将反映宇宙的大尺度结构,对宇宙学研究来说,会是很有价值的新发现. 美国加州大学及普林斯顿大学的 Lubin和 Fixsen等人近来分别在3mm及1.2cm波段对宇宙背景辐射…     

Science评出2003年度十大科学成就:找到暗物质和暗能量存在的新证据位居榜首

今年，Wilkinson微波背景各向异性探测器(WMAP)和Sloan数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了大爆炸宇宙学模型，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的成就，这些精确测量推动了宇宙学的研究进入一个黄金时代，其发     

关于宇宙结构形成演进的数字化模拟

从宇宙大爆炸的最初几分钟直到今天,想要定量理解我们所观察到的关于宇宙的海量数据,宇宙学家们无疑面临着巨大的挑战。令人不可思议的是,现代宇宙学在这样一场大战中竟然取得了伟大的胜利——仅仅使用6个参数(万有引力常数、真空介电常数、真空导磁率、真空光速、普朗克常数、电子或质子电量),便可以构建"标准模型",进而解释形形色色的宇宙学问题。标准模型与观察数据的结合确认,我们     

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.     

你听说了吗?——来自24届国际高能物理会议的消息

 之一:自七十年代以来,高能物理与宇宙学的研究联系越来越密切,因而近几届国际高能物理会议上都安排一个有关宇宙学方面的报告.在1988年举行的第24届会议上报道了一种新的宇宙模型.宇宙有可能不是创生出来的我们的宇宙在膨胀,这一事实早为天文学家所确定.在此基础上,四十年前,物理学家盖莫夫及其合作者阿尔弗创立了大爆炸宇宙学.     

宇宙学研究的盛宴已过?——评述2019年诺贝尔物理学奖

2019年诺贝尔物理学奖授予美国普林斯顿大学James Peebles(詹姆斯·皮伯斯)教授和瑞士日内瓦大学的Michel Mayor(米歇尔·梅耶)教授和瑞士日内瓦大学教授兼英国剑桥大学教授Didier Queloz(迪迪埃·奎洛兹)以表彰他们的研究对于我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出了巨大贡献.基于此本文评述了诺贝尔物理学奖授予他们分别在宇宙学和系外行星方面的重要贡献,今年诺奖颁发的新特点.