哈勃常数危机

哈勃常数定量刻画了当前宇宙的膨胀速率,精确测定哈勃常数是现代宇宙学的一个重要科学问题.近年来,哈勃常数的局域直接测量值与全局模型拟合值之间出现了越来越严重的偏差,其中局域直接测量值来自于晚期宇宙的局域距离阶梯测量结果,而全局模型拟合值来自于早期宇宙的微波背景辐射对宇宙学标准模型的观测限制.如果该偏差不是由其中任何一种观测手段的观测误差和系统误差所致,那么很有可能意味着存在超出宇宙学标准模型的新物理.本文从观测和模型两方面简述该哈勃常数危机问题,并结合作者近年来对此问题的研究从观测和模型两方面进行展望.     

利用强引力透镜检验宇宙距离对偶关系

正宇宙学近年来发展迅速,人们对宇宙的物质组份、宇宙的形成与演化等都有了更加精准而深刻的认识。这些很大程度上都得益于对宇宙学距离的测量。不同于日常生活中测量距离的直观性,在宇宙大尺度上考虑到时空效应,距离的概念变得不同,具体地,要想测量宇宙学距离必须给定一个方案,这就好比日常生活上要想测量距离就需要得到尺子两段的刻度差。宇宙学上通常有两种测量距离的方案:光度距离和角直径距离。     

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。     

GW170817与标准汽笛宇宙学

GW170817实现了基于"标准汽笛"的首次哈勃常数H_0测量,开启了标准汽笛宇宙学的序幕。正在进行的双中子星并合引力波观测,有望在5年内测量H_0到约2%精度,提供解决H_0危机的独立而珍贵的数据。下一代的引力波实验,则将通过标准汽笛方法,精确测量宇宙膨胀速度和宇宙大尺度结构,限制暗能量状态方程,在宇宙学尺度上检验广义相对论。     

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。     

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。     

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     

欣欣向荣的宇宙学

 一度被称为“天文学坟墓”的宇宙学现在正欣欣向荣。一系列丰富的科研成果和新仪器装置的研制,使人们感到宇宙学的前景是光明的。 长期以来,人们将１Ａ型超新星作为测量空间距离的“标准光强”,对它们的表观亮度的测量给出了它们的距离值。但是,这一方法很容易出错,不同的实验可以得到不同的结果。有人提出如何通过对衰减率和颜色进行校正的新方法,从而得到数值为５９±７的哈勃常数,它所相对的宇宙年龄约为１７０亿年。 宇宙学的另一个参数是ω,它是宇宙中的物质与阻止宇宙膨胀所需临界量的比。大爆炸膨胀模型预期ω必须精确等于１,宇宙才是“膨胀的”。     

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     

利用中性氢21厘米吸收线系统直接测量宇宙膨胀加速度

 物理测量在方法和精度上的进步使得我们对物质世界和宇宙的本质有了越来越深刻的认识,特别是对宇宙学参数的精确测量把我们带进了精确宇宙学时代。     

解读宇宙的起源——2006年诺贝尔物理学奖简介

 2006年度诺贝尔物理奖授予了在宇宙学研究领域取得杰出成果的美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特。他们发现的宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性强烈地支持了大爆炸宇宙学模型并开启了“精确宇宙学”时代的大门。COBE之后宇宙学研究取得了一系列重大的进展。近年WMAP、SDSS等天文观测更加坚实有力地支持了大爆炸宇宙学模型，并对物理学提出了一些重大的、尖锐的挑战，诸如什么是暗物质？暗能量的物理本质是什么？     

试论弗里德曼对演化宇宙学的贡献

从历史角度，依据史实论述了本世纪２０年代初前苏联数学家弗里德曼在爱因斯坦广义相对论的基础上，建立时空为动态的宇宙模型，提出宇宙不稳膨胀的理论，发展并完善了相对论对宇宙的解释，以及对现代演化宇宙学作出的重要贡献。     

宇宙起源与阿里原初引力波探测

20世纪建立起的宇宙大爆炸模型取得了巨大的成功,但仍期待着新的革命性的突破。探知宇宙起源及其演化是新世纪对全世界科学家的新挑战,其重要性在近期公布的中国"十三五"规划纲要中得到了高度的肯定。现代宇宙学理论,暴胀以及非奇异宇宙模型如反弹等,预言了原初引力波的存在,但至今还没有被实验证实。不同于近期LIGO合作组探测到的黑洞引力波,原初引力波是宇宙诞生时期产生的,携带着丰富的宇宙学信息,是引力波探测的全新波段,是引力波探测的下一个突破方向。文章简述了中国的阿里原初引力波实验计划及相关的科学问题。     

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。     

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.     

封面说明

宇宙学从整体的角度研究宇宙的起源、结构和演化,近年来有很大的发展.在观测上,这有赖于巨型望远镜、非光学频段望远镜和空间探测器的使用;在理论上,广义相对论和高能物理学为各种宇宙模型提供了理论基石.现在正是宇宙学的黄金时期.     

探索加速膨胀的宇宙

<正>暗能量巡天项目对近2亿星系的观测将帮助我们确定宇宙的加速膨胀是否起源于宇宙学常数的驱动,还是起源于一种新的具有动力学性质的能量的驱动,又或是由超出广义相对论之外的物理所造成。1998年,两个研究遥远超新星的研究组分别宣布了宇宙膨胀在加快的观测证据,这震惊了物理学界。这一非凡的发现随后得到了其他观测的确认,因此在2011年被授予诺贝尔物理学奖。在这一发现后的15年间,天文学家已经采用不同的方法更加准确地测量了今天称为标准协和宇宙学模型中的与宇宙加速度相关的参数及其他的参数。     

寻找一个自洽的常数

正在宇宙学发展的历程中,最伟大的发现是天文学家哈勃意识到了宇宙在膨胀。这一突破为我们了解宇宙年龄、微波背景辐射和宇宙大爆炸奠定了基础。哈勃是一位拥有天时地利人和机缘的天文学家。1923年,利用美国加州威尔森天文台2.5 m胡克望远镜,他在"旋涡星云"中观测到了造父变星,这类变星具有很好的周期-光度关系,可以用来测量距离。所得距离     

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.     

我们处于希格斯深渊的边缘吗?

正我们的宇宙或处于亚稳态,但可能比此前认为的稳定些。粒子宇宙学家审查已知粒子物理定律是否跟观测到的宇宙演化一致,以及这些定律预示着怎样的未来。我们需要修改个别定律吗?宇宙是稳定的还是"亚稳的"?俄罗斯Dubna联合核子研究所的Bednyakov及其合作者给出新的理论分析,将这些基本问题跟大型强子对撞机(LHC)的最新发现联系起来。他们的结论是:若标准模型正确,包括希格斯玻色子质量在内的测量值暗