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1、宇宙的大尺度结构2022/9/212022/9/211 1第1页，共50页，编辑于2022年，星期五宇宙有多大？宇宙有多大？宇宙中有什么？宇宙中有什么？人类如何认识宇宙？人类如何认识宇宙？Hubble 深空图深空图2022/9/212022/9/212 2第2页，共50页，编辑于2022年，星期五天体的距离单位天体的距离单位 1 天文单位天文单位(AU)=太阳到地球的平均距离太阳到地球的平均距离 1.5 108 公里（1.5亿公里）1 光年光年(ly)0.95 1013公里公里 光在光在 1 年里走过的路程年里走过的路程 1 秒差距秒差距(pc)3 1013 公里公里 1 秒差距 3.26 光
2、年 20万天文单位1千秒差距千秒差距=103 秒差距(星系尺度)1兆秒差距兆秒差距=106 秒差距(宇宙尺度)2022/9/212022/9/213 3第3页，共50页，编辑于2022年，星期五天体距离的测定方法1)几何方法几何方法：在地球公转不同位置处观测同一天体在天球上的坐标,经过计算得出视差，也就得到距离D。D=206,265 a.u./（适用于银河系内）2022/9/212022/9/214 4第4页，共50页，编辑于2022年，星期五2)光度方法：光度方法：设天体光度为L，亮度为B，则有BLD2B是可观测量，如果能设法求到光度L，则可由上式求得距离D，称为光度距离。2022/9/21
3、2022/9/215 5第5页，共50页，编辑于2022年，星期五用造父变星做标准烛光（适合近星系）2022/9/212022/9/216 6第6页，共50页，编辑于2022年，星期五用Ia型超新星作标准烛光（较远的星系）2022/9/212022/9/217 7第7页，共50页，编辑于2022年，星期五3)星系红移和哈勃定律星系红移和哈勃定律1929年，Hubble发现星系光谱线的红移同距离成正比，若解释为多普勒效应，意味着星系退行的速度正比于星系的距离 2022/9/212022/9/218 8第8页，共50页，编辑于2022年，星期五哈勃定律2022/9/212022/9/219 9第9
4、页，共50页，编辑于2022年，星期五 距离阶梯距离阶梯2022/9/212022/9/211010第10页，共50页，编辑于2022年，星期五宇宙中的等级式结构 宇宙中存在明显的等级式结构:恒星 星系 星系团 超星系团2022/9/212022/9/211111第11页，共50页，编辑于2022年，星期五银河系银河系2022/9/212022/9/211212第12页，共50页，编辑于2022年，星期五本星系群本星系群（Local Group）银河系所属的数十个星系的集合，尺度约数百万光年2022/9/212022/9/211313第13页，共50页，编辑于2022年，星期五星系团(Clus
5、ter of Galaxies)数十至数千个星系的集合，星系团的尺度约数千万光年：室女座星系团2022/9/212022/9/211414第14页，共50页，编辑于2022年，星期五超星系团超星系团:若干星系团的集合体2022/9/212022/9/211515第15页，共50页，编辑于2022年，星期五星系红移巡天1980年代:CfA1,CfA2，（103星系）1990年代：LCRS，（104星系）2000年代：2dF，SDSS，（105星系）星系红移巡天发现了许多有趣的结构.例如巨洞、纤维.2022/9/212022/9/211616第16页，共50页，编辑于2022年，星期五星系分布的大
6、尺度结构星系分布的大尺度结构 2022/9/212022/9/211717第17页，共50页，编辑于2022年，星期五观测宇宙观测宇宙目前发现的最远天体：137亿光年 半径半径137亿光年亿光年室女座超星系团2022/9/212022/9/211818第18页，共50页，编辑于2022年，星期五宇宙天体的空间尺度宇宙天体的空间尺度地球 10 7 米太阳 10 9 米太阳系（恒星）10 13 米星系（银河系）10 21 米(十万光年)星系团 10 23 米(百万光年)超星系团 10 25 米(亿光年)大尺度结构 大于 3亿光年观测宇宙 10 26 米(百亿光年)2022/9/212022/9/2
7、11919第19页，共50页，编辑于2022年，星期五星系巡天与宇宙大尺度结构星系巡天与宇宙大尺度结构星系巡天与宇宙大尺度结构星系巡天与宇宙大尺度结构巡天一般都到一定的红移或星等，即有一定的观测极限巡天的分类：巡天的分类：1D（一维）巡天：对某一特定小天区进行深度露光如：HST deep field，类星体莱曼阿尔法吸收线丛2D（二维）巡天：覆盖天空大面积的照相观测如帕洛马巡天，APM巡天(不含视线方向距离信息）3D（三维）巡天：覆盖天空中一块区域的分光观测如2dF,SDSS（含星系在天球上的位置及视向距离信息）2022/9/212022/9/212020第20页，共50页，编辑于2022年，
8、星期五2D巡天巡天(APM)星系分布星系分布约200万个星系在 30度天空范围和20亿光年距离范围内的分布没有发现尺度超过200Mpc 的结构2022/9/212022/9/212121第21页，共50页，编辑于2022年，星期五2022/9/212022/9/212222第22页，共50页，编辑于2022年，星期五2dF红移巡天星系分布2022/9/212022/9/212323第23页，共50页，编辑于2022年，星期五一百万星系（亮于18.5等）十万类星体同时测量640个天体，光谱分辨率R2000 斯隆红移巡天(SDSS)2022/9/212022/9/212424第24页，共50页，编
9、辑于2022年，星期五SDSS 2003年200,000星系2022/9/212022/9/212525第25页，共50页，编辑于2022年，星期五APOSDSS2000s2022/9/212022/9/212626第26页，共50页，编辑于2022年，星期五星系红移巡天发现的结构巨洞(voids)：不含或很少星系的区域，尺度约1060Mpc纤维(filaments)：海绵状的星系分布，长度约70 150Mpc，形成巨洞的边界超星系团(superclusters)：由星系组成的特定纤维区域2022/9/212022/9/212727第27页，共50页，编辑于2022年，星期五星系结团的数学描述
10、距离为r的两个体积元dV1和dV2中发现一对星系的联合概率 dPn2(1+(r)dV1 dV2(r)称为两点相关函数许多红移巡天的结果给出 2022/9/212022/9/212828第28页，共50页，编辑于2022年，星期五功率谱(r)的傅里叶变换称为功率谱2022/9/212022/9/212929第29页，共50页，编辑于2022年，星期五星系分布的“结团性”是描述星系分布结团性的无量纲量，确定一个体积内的密度起伏，定义为式中 k R-1 8 常用来表示尺度R=8h-1 Mpc内的密度起伏.2022/9/212022/9/213030第30页，共50页，编辑于2022年，星期五星系相关
11、函数中的重子声学振荡2022/9/212022/9/213131第31页，共50页，编辑于2022年，星期五精确测定宇宙的整体参数H0 哈勃常数 50-100 km/s/Mpc？0 总密度 0.2-？宇宙学常数 0-？m 物质密度 0.2-？b 重子密度 0.04？到百分之几的精度2022/9/212022/9/213232第32页，共50页，编辑于2022年，星期五WMAP（20012003）的贡献2022/9/212022/9/213333第33页，共50页，编辑于2022年，星期五WMAP测绘的CBR天图2022/9/212022/9/213434第34页，共50页，编辑于2022年，星
12、期五WMAP得到的CBR功率谱2022/9/212022/9/213535第35页，共50页，编辑于2022年，星期五WMAP的贡献1)|n-1|/n 尺度无关谱2)b/|m-b|暗物质主导3)tot=1.02+-0.04.-平坦宇宙4)|hopt hcbr|1=5%+-10%;确认5)|s8cbr-s8clstr|/s8 1=0.29+-0.45;确认6)tscat=0.17+-0.04;意外结果Spergel et al:20032022/9/212022/9/213636第36页，共50页，编辑于2022年，星期五多参数估计存在简并性需要相互独立的观测予以解除，红移巡天提供的星系大尺度分
13、布数据可以将CMB功率谱拟合得到的宇宙学参数进一步精确化例如 Tegmark et.al.(2006)用SDSS数据给出：物质密度 m=0.240.02(1)中微子质量 m=0.9eV(95%)t=1.0030.010 (WMAP t=1.020.04)设t=1，物态方程参数约束到w=-0.940.09 2022/9/212022/9/213737第37页，共50页，编辑于2022年，星期五SDSS 2006年样本星系分布2022/9/212022/9/213838第38页，共50页，编辑于2022年，星期五功率谱2022/9/212022/9/213939第39页，共50页，编辑于2022年
14、，星期五对宇宙学参数的进一步约束2022/9/212022/9/214040第40页，共50页，编辑于2022年，星期五2022/9/212022/9/214141第41页，共50页，编辑于2022年，星期五2022/9/212022/9/214242第42页，共50页，编辑于2022年，星期五2022/9/212022/9/214343第43页，共50页，编辑于2022年，星期五2022/9/212022/9/214444第44页，共50页，编辑于2022年，星期五2022/9/212022/9/214545第45页，共50页，编辑于2022年，星期五2022/9/212022/9/2146
15、46第46页，共50页，编辑于2022年，星期五谐和宇宙模型（Tegmark et.al.)tot=1(assumption)cdm=0.260 0.037 baryon=0.0486 0.00019 lambda=0.691 0.036 n=0.966 0.023 H0=68.3 km/s/Mpc 8=0.894 0.057 tscat=0.103 0.0542022/9/212022/9/214747第47页，共50页，编辑于2022年，星期五小结整个说来，谐和CDM模型非常成功.CBR 提供了最精确的检验;但其他方法，例如星系大尺度分布，对于消除参数简并也非常重要.有些参数仍然存在较大不确定性.我们尚不清楚暗物质和暗能量的性质！2022/9/212022/9/214848第48页，共50页，编辑于2022年，星期五LAMOST巡天2022/9/212022/9/214949第49页，共50页，编辑于2022年，星期五谢谢！2022/9/212022/9/215050第50页，共50页，编辑于2022年，星期五