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1、会计学1宇宙的大尺结构宇宙的大尺结构2023/3/152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 深空图深空图第1页/共52页2023/3/153天体的距离单位天体的距离单位 1 1 天文单位天文单位天文单位天文单位(AU)(AU)=太阳到地球的平均距离太阳到地球的平均距离太阳到地球的平均距离太阳到地球的平均距离 1.5 1.5 10 108 8 公里公里 （1.51.5亿公里）亿公里）1 1 光年光年光年光年(ly)(ly)0.95 0.95 10 101313公里公里公里公里 光在光在光在光在 1 1 年里走过的路程年里走过的路程
2、年里走过的路程年里走过的路程 1 1 秒差距秒差距秒差距秒差距 (pc)(pc)3 3 10 1013 13 公里公里公里公里 1 1 秒差距秒差距 3.26 3.26 光年光年 20 20万天文单万天文单位位1 1千秒差距千秒差距千秒差距千秒差距=10=103 3 秒差距秒差距 (星系尺度星系尺度)1 1兆秒差距兆秒差距兆秒差距兆秒差距=10=106 6 秒差距秒差距 (宇宙尺度宇宙尺度)第2页/共52页2023/3/154天体距离的测定方法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./
3、（适用于银河系内）第3页/共52页2023/3/1552)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。第4页/共52页2023/3/156用造父变星做标准烛光（适合近星系）用造父变星做标准烛光（适合近星系）用造父变星做标准烛光（适合近星系）用造父变星做标准烛光（适合近星系）第5页/共52页2023/3/157用用用用IaIa型超新星作标准烛光（较远的星系）型超新星作标准烛光（较远的星系）型超新星作标准烛光（较远的星系）型超新星作标准烛光（较远的星系）第6页/共52页2023/3/1583)星系红移和哈勃定律星
4、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 第7页/共52页2023/3/159哈勃定律哈勃定律第8页/共52页2023/3/1510 距离阶梯距离阶梯第9页/共52页2023/3/1511宇宙中的等级式结构宇宙中的等级式结构n n 宇宙中存在明显的等级式结构:n n 恒星 星系 星系团 超星系团第10页/共52页2023/3/1512银河系银河系银河系银河系第11页/共52页2023/3/1513本星系群本星系群本星系群本星系群（Local GroupLocal Group）银河系所属的数十个星系的集合，
5、尺度约数百万光年第12页/共52页2023/3/1514星系团星系团星系团星系团 (Cluster of Galaxies)(Cluster 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：室女座星系团室女座星系团第13页/共52页2023/3/1515超星系团超星系团超星系团超星系团:若干星系团的集合体若干星系团的集合体第14页/共52页2023/3/1516星系红移巡天星系红移巡天n n1980年代:CfA1,CfA2，（103星系）n n1990年代：LCRS，（104星系）n n2000年代：2dF，SDSS，（105星系）n n星系红移巡天发现了许多有趣的结
6、构.例如巨洞、纤维.第15页/共52页2023/3/1517星系分布的大尺度结构星系分布的大尺度结构星系分布的大尺度结构星系分布的大尺度结构 第16页/共52页2023/3/1518观测宇宙观测宇宙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第17页/共52页2023/3/1519宇宙天体的空间尺度宇宙天体的空间尺度宇宙天体的空间尺度宇宙天体的空间尺度地球地球 1010 7 7 米米太阳太阳 1010 9 9 米米太阳系（恒星）太阳系（恒星）1010 13 13 米米星系（银河系）星系（银河系）1010 21 21 米米 (十万光年十万光年)星系团
7、星系团 1010 23 23 米米 (百万光年百万光年)超星系团超星系团 1010 25 25 米米 (亿光年亿光年)大尺度结构大尺度结构 大于大于 3 3亿光年亿光年观测宇宙观测宇宙 10 10 26 26 米米 (百亿光年百亿光年)第18页/共52页2023/3/1520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
8、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）第19页/共52页2023/3/15212D2D巡天巡天巡天巡天(APM)(APM)星系分布星系分布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 的结构第20页/共52页2023/3/1522第21页/共52页2023/3/15232dF红移巡天星系分布红移巡天星系分布第22页/共52页2023/3/1524一百万星系（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
9、移巡天(SDSS)第23页/共52页2023/3/1525SDSS 2003年200,000 星系第24页/共52页2023/3/1526APOSDSS2000s第25页/共52页2023/3/1527星系红移巡天发现的结构星系红移巡天发现的结构n n巨洞(voids)：不含或很少星系的区域，尺度约1060Mpcn n纤维(filaments)：海绵状的星系分布，长度约70 150Mpc，形成巨洞的边界n n超星系团(superclusters)：由星系组成的特定纤维区域第26页/共52页2023/3/1528星系结团的数学描述星系结团的数学描述n n距离为距离为r r的两个体积元的两个体积元
10、dVdV1 1和和dVdV2 2中发现一对星系的中发现一对星系的联合概率联合概率n n dPdPn n2 2(1+(1+(r)dV(r)dV1 1 dVdV2 2n n(r)(r)称为两点相关函数称为两点相关函数n n许多红移巡天的结果给出许多红移巡天的结果给出 第27页/共52页2023/3/1529功率谱功率谱n n(r)(r)的傅里叶变换称为功率谱的傅里叶变换称为功率谱第28页/共52页2023/3/1530星系分布的星系分布的“结团性结团性”n n 是描述星系分布结团性的无量纲量，确定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，定义为一个体积内的密度起伏，定义为式中式中
11、k k R R-1-1n n 8 8 常用来表示尺度常用来表示尺度R R=8=8h h-1-1 Mpc Mpc内的密度起伏内的密度起伏.第29页/共52页2023/3/1531星系相关函数中的重子声学振荡星系相关函数中的重子声学振荡第30页/共52页2023/3/1532精确测定宇宙的整体参数精确测定宇宙的整体参数n nH0 哈勃常数 50-100 km/s/Mpc？n n0 总密度0.2-？n n 宇宙学常数 0-？n nm 物质密度 0.2-？n nb 重子密度 0.04？n n到百分之几的精度第31页/共52页2023/3/1533WMAP（20012003）的贡献）的贡献第32页/共5
12、2页2023/3/1534WMAP测绘的测绘的CBR天图天图第33页/共52页2023/3/1535WMAP得到的得到的CBR功率谱功率谱第34页/共52页2023/3/1536WMAP的贡献的贡献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:2003第35页/共52页2023/3/1537多参数估计存在简并性多参数估计存在简并性n n需要相互独
13、立的观测予以解除，红移巡天提供的星系大尺度分布数据可以将CMB功率谱拟合得到的宇宙学参数进一步精确化n n例如 Tegmark et.al.(2006)用SDSS数据给出：物质密度 m=0.240.02(1)n n 中微子质量 m=0.9eV(95%)n nt=1.0030.010 (WMAP t=1.020.04)n n设t=1，物态方程参数约束到w=-0.940.09 第36页/共52页2023/3/1538SDSS 2006年样本星系年样本星系分布分布第37页/共52页2023/3/1539功率谱功率谱第38页/共52页2023/3/1540对宇宙学参数的进一步约束对宇宙学参数的进一步约
14、束第39页/共52页2023/3/1541第40页/共52页2023/3/1542第41页/共52页2023/3/1543第42页/共52页2023/3/1544第43页/共52页2023/3/1545第44页/共52页2023/3/1546第45页/共52页2023/3/1547谐和宇宙模型（谐和宇宙模型（Tegmark et.al.)n n tot=1(assumption)n n cdm=0.260 0.037n n baryon=0.0486 0.00019n n lambda=0.691 0.036n n n=0.966 0.023n n H0=68.3 km/s/Mpcn n 8=0.894 0.057n n tscat=0.103 0.054第46页/共52页2023/3/1548小结小结n n整个说来，谐和CDM模型非常成功.n nCBR 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.n n有些参数仍然存在较大不确定性.n n我们尚不清楚暗物质和暗能量的性质！第47页/共52页2023/3/1549LAMOST巡天巡天第48页/共52页2023/3/1550第49页/共52页2023/3/1551“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！”第50页/共52页2023/3/1552谢谢谢谢！第51页/共52页