[理学]广义相对论和宇宙学.ppt

4. 轻子时代 宇宙演化到温度约为1011 K时，相应的能量约为 . 在已知粒子中，满足成分判据[式(2.50)]的只有以下几种粒子： 、光子 ?、三种中微子及其反粒子、电子e? 和正电子e+，它们都处在同一温度的热平衡状态中。这时，质子和中子不满足成分判据，只剩下很少量。由于这个温度范围的粒子大多是轻子，因此宇宙演化的这个阶段称为轻子时代。 随着宇宙的膨胀，在温度降到1010 K后，尽管中微子仍大量存在，却不再参与碰撞和热耦合，保持自由运动，这个温度称为中微子的脱耦温度。当宇宙演化到时，相应的能量除以c2与电子的质量me相当。按照成分判据[式(2.50)]，这时正、负电子对将大量湮没而转化为光子，所剩下的少量电子的数目与质子相同，保持宇宙整体的电中性。 5. 核合成时代 随着宇宙的膨胀，宇宙温度进一步下降。当温度降到约109 K时，中子与质子的碰撞就会大量生成D，并放出能量约为2.2 MeV的光子（当温度高于109 K时，宇宙中能量超过2.2 MeV的高能光子非常多，使这个过程也能逆向进行，刚生成的D核很快又分裂成质子和中子）。这时，氘核相撞会十分有效地生成氦核4He. 由于中子一旦进入4He核内就不再衰变了，从而为我们物质世界保持了大量的中子。 在生成4He核的同时，也生成了3H和3He等轻核，还进一步合成了7Li和7Be等轻核，这一时期称为核合成时代。然而，除4He以外，其余轻核素的丰度并不高。而且，物质世界中比较重的核素，都是在以后的恒星演化和超新星爆发等过程中合成的。 6. 复合时代 在宇宙温度降到4 000 K以前，宇宙物质一直处在质子p、电子e?和4He组成的等离子体与光子相耦合的热平衡态，并伴有大量脱离了热平衡的中微子。这时，光子与带电粒子之间有很强的相互作用，会与它们发生频繁的碰撞。然而，在温度降到约4 000 K时，电子和质子开始复合成中性的氢原子（电子和质子复合成氢原子并放出13. 6 eV的光子，这一过程在4 000 K (这时 kBT ? 0.4 eV) 以上的温度下也会发生。但是，由于这时13. 6 eV以上的高能光子为数仍然不少，因此氢原子分离为电子和质子的逆过程使氢原子积累不起来。只有在温度降到4 000 K以下时，氢原子才得以有效积累起来，复合过程才能有效地进行），而电子和氦核开始复合成中性的氦原子，宇宙物质变成电中性的原子气体。这时，光子就几乎不再受到碰撞，光子脱离热平衡而变成自由气体，宇宙物质对于光子变得透明了，这就是宇宙的复合时代。 刚脱耦的时候，光子是4 000 K的黑体辐射。脱耦以后，随着宇宙膨胀，宇宙尺度在增大，光的波长也相应地增长，因此能量降低，等效温度降低。虽然这时光子已不再处于热平衡态，却仍然保持着与热平衡一样的黑体辐射谱。宇宙膨胀到现在，4 000 K的黑体辐射降到了现在的2.7 K的黑体辐射。 怎样在均匀的中性原子气体中形成星系和星系团这些结团的不均匀天体呢？这是宇宙学中极为重要的一个问题。目前对宇宙结构形成模型的理论研究表明，多彩的可观测宇宙敏感地依赖于早期宇宙的特征。宇宙结构形成的基本物理原因是均匀介质具有自引力作用下的不稳定性，早期宇宙存在相变导致的拓扑缺陷或小幅度的原始扰动可以被引力放大。 具体而言，只要原初介质中具有那怕是十分微小的密度扰动，则在进入物质为主的阶段后，原来的微小扰动的幅度开始增大，过密区将因局域引力而收缩，最终形成团块。按照这一图象，光子在退耦时的介质不应该是完全均匀的，并且它将通过光子温度的不均匀性体现出来，从而使宇宙背景辐射场表现出各向异性。1992年4月COBE卫星研究组发布的结果表明，宇宙背景辐射场是四极各向异性的，其平均温度扰动为 . 这是对建立在大爆炸宇宙学基础上的结构形成理论的一个很大的支持。尽管如此，关于宇宙复杂结构的形成，至今还远没有建立起成熟的理论。 如前所述，宇宙中看不见的物质??暗物质要比看得见的物质多得多，它们具有引力作用，因此它们对于宇宙的运动和演化以及宇宙结构的形成起着极其重要的作用。组成暗物质的粒子必须是电中性的、有静质量的、寿命长于宇宙年龄的稳定粒子，它们不直接参与电磁相互作用，但可参与弱相互作用。在粒子物理的标准模型所给出的62种“基本”粒子中，有可能是暗物质粒子的只有中微子和反中微子 。其前提是中微子的静质量不为零。即使中微子只有几个电子伏特的静质量，在热大爆炸中产生的热中微子也会在今天的宇宙质量密度中占有优势。迄今为止，测量中微子质量的实验都还没有得到肯定的结果。即使中微子有质量，也只能是热暗物质 。粒子，而冷暗物质粒子肯定是超出粒子物理标准模型的粒子。 实