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现代宇宙学是构建在一个名叫“宇宙学原理”的假设之上的. 该原理大致如下:“宇宙在大尺度上,是均匀且各向同性的.”这里首要的两个关键词是“均匀性”和“各向同性”. 这是由于宇宙在大尺度上,更准确地说,是在“背景”层面上具有两种更高的对称性. “均匀性”对应的是“空间平移对称性”;“各向同性”对应的是“空间 3 维转动对称性”.

“均匀性”是指空间中没有哪一个点是特殊的;“各向同性”是指空间中没有哪一个方向是特殊的. 二者是相互独立的概念. 比方说,高中时期就开始接触的“沿 x 轴方向的匀强电场”就具有空间均匀的性质;而“洋葱”形状的宇宙就具有空间各向同性的性质. 但是,前者不具有“各向同性”;后者不具有“均匀性”. 我们宇宙在大尺度上的直观物理图像,如图1所示. 图像中左上角的一小块区域被逐级放大. 在我们看到最后一级放大图像中,物质空间分布既不均匀也不各向同性. 而在没有被放大的背景图片中,每一点,统计地看来,都是一样的;选取图片中任意一点后,以该点为圆心向各个方向看去,也都是一样的.

图1 千禧年 (Millenium) 模拟 (simulation) 所展示的宇宙大尺度结构的物

理图像

这里要强调的是,上面的描述虽然抓住了主要矛盾,但是并不太严谨. 更为准确的,应该是:“对于一个共动观测者而言,宇宙在大尺度上,是均匀且各向同性的.”相比于之前的描述,这里强调了宇宙学原理的成立是针对特殊的坐标系,即“共动观测者”. 这是由于,以 CMB 为代表的天文观测数据,将我们带入了“精确宇宙学”时代. 目前,我们的观测精度已经可以区分不同观测者与“共动观测者” 之间的差异. 如图2所示,最上一幅图显示的是宇宙背景探测器 (Cosmic Background Explorer, COBE) 卫星测量到的全天各向同性的温度为 2.7255 K 的背景辐射;而中间一幅图,显示的是天球上各点相对于 2.7255 K在千分之一精度上的差值;而最下一幅图,跟中间一幅图的意义相似,只不过是在十万分之一的精度上的差值. 而我们所经常提到的 CMB 的各向异性信号通常是指的最下一幅图的结果. 但是,试想一下,如果你去做 CMB 实验,你在数据分析过程中首先看到的是中间这个千分之一的信号. 这是一个“偶极矩”信号,原因就是卫星所在的坐标系 (可以近似认为是随着银河系共动的坐标系) 相对于 CMB 的静止坐标系有着一个大约 300 km/s的相对运动速度. 由简单的多普勒红移关系可知,由此产生的温度变化正比于 v/c,约为 10 −3 . 因此,可以说,我们银河系内的观测者,在千分之一的精度之下,不满足宇宙学原理.

图2 COBE 卫星数据结果所显示 CMB 温度的各向异性

最后,要给出一点关于“宇宙大尺度”这个定语的感性认识.宇宙学所感兴趣的空间尺度,基本上就是图1所描绘的尺度. 而在该图中,每一个肉眼可分辨的点,其空间尺度都要比星系的尺度要大.

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《宇宙大尺度结构简明讲义》的内容主要来源于作者在北京师范大学 (以下简称北师大) 天文系和中国科学院大学 (以下简称国科大) 物理学院开设的研究生课程 “宇宙大尺度结构形成” 和 “现代宇宙学” 的讲义. 内容包括:宇宙学的背景动力学演化、宇宙学线性微扰论、宇宙暴胀机制、宇宙微波背景辐射、星系成团性 (包括重子声学振荡和红移空间畸变)、暗物质晕的球对称坍缩模型、暗晕模型、引力透镜 (包括强引力透镜和弱引力透镜) 等内容. 这部分内容基本涵盖了宇宙学最近十多年主要研究领域的基本知识.

为方便天文和物理专业高年级本科生和低年级研究生阅读,本书采用中文写作. 本书定位为宇宙学入门教材,侧重介绍现代宇宙学研究的全貌,因此在具体的数学推导上不甚系统和细致. 希望读者能够将本书结合其他中英文教材一起阅读,以促进读者尽快地了解现代宇宙学研究的内容和方法论.

本书的内容,自 2018 年起,在北师大天文系和国科大物理学院经历了几轮教学,收到了同学们大量的积极反馈. 特别是,本书的内容在北师大和国科大的教学过程中,各有偏重,尽量平衡天文和物理两个学科,用两个学科中所常用的语言和思考方式来讲解.

本书的内容很大程度上借鉴了以下几本英文教材和文献,这里向其作者们一并表示感谢和敬意. 背景宇宙学和线性微扰论方面主要参考了英国剑桥大学 Baumann 的宇宙学讲义, 宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background, CMB) 部分主要参考了美国芝加哥大学 Wayne Hu 的幻灯片和英国剑桥大学Challinor 的 CMB 讲义, 星系成团性部分主要参考了英国朴茨茅斯大学 Percival的幻灯片, 暗物质晕的非线性坍缩部分主要参考了美国耶鲁大学 van den Bosch 的幻灯片, 强引力透镜部分主要参考了意大利博洛尼亚天文台Meneghetti的讲义和德国马普天体物理研究所 Suyu 的透明片, 弱引力透镜部分主要参考了法国巴黎大学Kilbinger 的综述文章和荷兰莱顿大学Kuijken 的讲义.

本书的主要内容包括宇宙学研究的理论和观测两个部.

理论部分包括:宇宙学背景、宇宙学线性微扰论、宇宙暴胀模型、大尺度结构线性增长理论以及描述非线性结构形成的暗晕模型五部分.

观测部分包括:宇宙微波背景辐射、星系的成团性测量、星系的弱引力透镜测量、星系的强引力透镜测量四部分. 本书是宇宙学领域的教材和研究参考书,可供宇宙微波背景辐射、星系巡天测量以及引力透镜观测等方向的研究人员阅读与参考.

目录速览

编辑推荐

本书定位于宇宙学入门教材,侧重介绍现代宇宙学研究的全貌。内容包括:宇宙学的背景动力学演化、宇宙学线性微扰论、宇宙暴胀机制、宇宙微波背景辐射、星系 成团性 (包括重子声学振荡和红移空间畸变)、暗物质晕的球对称塌缩模型、暗晕模型、引力透镜 (包括强引力透镜和弱引力透镜) 等内容. 这部分内容基本涵盖了最近十多年宇宙学主要研究领域的基本知识.

(本期编辑:王芳)

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