3D dark matter map (Nature news) 及我的评论

最近一期nature刊登了关于重建宇宙三维暗物质分布的文章
结果在nature.1.7.2007,
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature05497.html

就是用引力透镜的方法重建物质密度分布,理论已经比较成熟了
一般引力透镜的观测能够得到两维的投影密度分布,从两维到三维
需要用不同红移的背景星系,分层重建暗物质,需要高精度的红移,需要
比较强的成像能力

技术上要做的很好就比较难,这次发文章的是用的哈勃望远镜
The Hubble Space Telescope (HST) Cosmic Evolution Survey (COSMOS)
巡天区域一度半,极限红移大概可以到5,但可靠的红移应该没有那么高.
看了一下,红移测到3



cosmos提供一个小工具,看他们的图像http://www.mpia.de/COSMOS/skywalker/#
可以玩一下


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Li Ran

lir@bac.pku.edu.cn

NOBEL 2006

NOBEL 2006

今年早些时候炸药奖颁奖的时候,写给某报纸的文章,现在应该贴出来没有什么关系了

据诺贝尔奖官方网站消息，2006年度诺贝尔物理学奖将颁发给美国的两位科学家约翰。马瑟（JOHM C. MATHER）和乔治。斯莫特(GEORGE F. SMOOT)。MATHER现在正在为美国国家航天局（NASA）的下一带空间光学望远镜JWST工作，而斯莫特现在美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)领导着一个研究组。他们二人参与了美国国家航天局发射的COBE卫星的相关研究工作。这一卫星的全名意为“宇宙背景探测者”，它旨在探测宇宙早期微波背景辐射。马瑟和斯莫特在探测宇宙微波背景辐射的黑体谱形式和各向异性的研究中扮演了关键角色，因此而获得本年度的诺贝尔奖。

相比于大爆炸理论，微波背景这个名词在大众眼里还比较陌生。你可能不会想到，这次已经是微波背景辐射的研究第二次获得诺贝尔奖。而微波背景辐射的观测已经成为宇宙学研究的基石之一。

根据大爆炸宇宙学，宇宙不是静止的存在。今天的宇宙正在经历均匀且各项同性的膨胀。换句话说，你处在宇宙的任何一个角落，都会看到远处的星系离你而去。如果在时间上回溯，宇宙的密度和温度相比今天便会越来越大。自然的结果是，在遥远的过去，宇宙会处于一个高温且高密度的状态。在这样极端的条件下，行星，恒星，星系都无法存在。所有的物质只能以最基本的粒子形态在宇宙中横冲直撞。剧烈的碰撞使得整个宇宙的物质处于近乎完美的均匀状态。这一时期距离今天已经百亿年之远，但我们仍然可以观测到它的遗迹——微波背景辐射。正像名字描述的那样，这一辐射的峰值处在微波波段（没错，就是微波炉里的那种微波）。辐射弥漫在全空间，在地球的任何一处向任何一个方向看去，微波背景辐射的强度都几乎相同。更妙的是，大爆炸宇宙学预言，微波背景辐射具有自然界最完美的黑体辐射谱形式。

早在六十年前，三个富有远见的宇宙学家Alpher, Gamow, 和Herman就指出了微波背景辐射的存在。但观测上的证实却来自20年后两个外行的意外发现。贝尔实验室的天线工程师Penzias和Wilson,他们在1965年费尽心机想要去除天线接受到的噪声（确实是费尽心机，他们甚至花时间拔出了天线上的鸟窝），结果却发现噪声始终无法消除。进一步的他们发现噪声似乎没有一个特定的源头，而是全天均匀的辐射。这正是理论家们预言的微波背景辐射，它的观测，有力的支持了大爆炸宇宙学。Penzias和Wilson因此而获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

微波背景辐射中包含了早期宇宙丰富的信息，但不走运的是，地球的大气层对辐射的吸收使得地面的观测设备难以将这些信息提取出来。虽然Penzias和Wilson的发现坚定了宇宙学家们对大爆炸理论的信心。但人们却无法从这样简单的观测中读出早期宇宙更多的故事。在高山上建立观测站或者用热气球将观测设备送到高空可以缓解大气层带来的问题。但只有到太空中去观测才能真正把人们带回大爆炸之后不久的宇宙。

1974年，一批美国的科学家联合向美国国家航天局提出了观测宇宙微波背景辐射的初步计划。计划提出将一个探测器送入太空观测微波背景辐射，这就是COBE卫星。COBE卫星肩负着两个重要任务，观测微波背景辐射的黑体谱形式，以及探测微波背景辐射的各项异性。而这一计划的最重要的推动者，正是获得今年诺贝尔奖的John Mather. John Mather同时负责观测微波背景辐射黑体形式仪器的总体设计。COBE卫星本计划由航天飞机送上太空，但美国“挑战者”号航天飞机失事后，这一计划一拖再拖。1989年底，COBE卫星被火箭送上太空。虽然发射过程有些曲折，但COBE在太空工作的异常顺利。仅仅在观测9分钟之后，COBE送回了观测的第一批数据，数据显示，微波背景辐射的能谱正如大爆炸理论预期的那样，是近乎完美的黑体辐射谱。

微波背景辐射具有黑体辐射谱的形式，这说明宇宙早期确实存在一个高度温高压，物质分布高度均匀的时期。但如果这样的均匀是没有涨落的，那么今天的我们看到的宇宙中的种种结构，如星系，恒星便不可能形成，更不要提生命的存在。今天，我们存在在宇宙中，说明宇宙早期各处的物质密度中仍存细小差别。而物质之间的万有引力作用会使这些细微的密度涨落，随着时间的流逝逐步增长。密度相对周围环境高一些的地方会吸引更多的物质聚集成团，并最终形成今天存在在宇宙中的结构。这些早期的细小涨落，同样会在微波背景辐射上留下印记。使得我们看到的微波背景辐射在不同方向上存在微小的差别。

另一位诺贝尔奖获得者George.Smoot，正是在COBE计划中负责微波背景辐射的各项异性观测。正如前面提到的，微波背景辐射的各项异性观测可以揭示宇宙的很多秘密。科学家们可以以此为出发点，模拟宇宙中结构的演化，星系的形成历史。这一观测还可以告诉我们宇宙的组成，物质，暗物质，暗能量所占比例。甚至我们还可以从各项异性的观测中推断宇宙的形态。如果说黑体谱形式的观测宣告了大爆炸宇宙学理论的巨大胜利，那么微波背景辐射各项异性的观测可以说是将宇宙学带入了精确科学的时代。

在COBE之后微波背景辐射的探测仍然在继续。不久前刚刚释放了第三年数据的WMAP卫星以更高的分辨率将微波背景辐射呈现给我们。而不久后欧洲将发射的PLANK卫星会告诉我们更多早期宇宙的细节。

如果你打开收音机，你受到的噪声便有一小部分来自微波背景的贡献。虽然这信号看似微弱，但毫不夸张的说，我们关于宇宙演化的知识一半以上都来源于微波背景辐射各项异性的观测。

引力透镜(4)

最后终于该说弱引力透镜了.

前面已经说过了,引力透镜分强弱,很大程度上就是用眼睛看.能够从一个背景天体的像中看到扭曲的,就是强的.看不出来的,就是弱的.这句话其实还需要进一步说明.看的出来的其实都是比较极端的,比如星系被拉成长条状,看着像哈哈镜.又或者星系被弄出好多的像来.

而看不出来的,是大多数.因为宇宙有天体的地方少,空旷的地方多,所以两个天体挨得很近的情况确实少.从观测上说,本来背景星系的形状就不是什么完美的几何图形.一个椭圆的星系,光线被轻微的偏折一下,还是椭圆的.你离的远,不能知道它的真面目是什么样子的,也就说不出它是怎么被变形的.但这种现象又是广泛存在的,因为引力是长程力,虽然远处作用弱了,但并没有消失.所谓人在江湖走,谁能不挨刀.光在宇宙中走,也必然要偏折.

现在的问题是怎么测定弱引力透镜效应. 最常用的方法就是看一大堆星系形状,然后做统计分析. 这个想法是非常的聪明的. 人们假设,在远处的星系,它们虽然有椭率,但椭率的大小和指向是完全随机的.那么如果你取一小块天区,对这小块天区里的星系椭率进行平均,那么平均值应该是0. 但如果存在引力透镜效应,比如这小块天区里的星系都受到一个透镜星系的影响,那么它们的椭率就会有一个偏向性.单个的看,你看不出这些星系有什么特别的.但如果放在一起,你就会发现它们的形状都偏向某一个方向.（实际中这种偏向是很弱的，所以需要极高精度的测量）于是你可以把这些星系椭率的平均看作引力透镜信号强弱的一个估计。如果你对一块天区，每一小块都作这样的事情，最后你就可以得到一张引力透镜信号的分布图，通过一些算法，你就可以反演出在这块天区上2维的物质分布。

弱引力透镜是一个非常强有力的工具。因为它的物理非常的干净，唯一依赖的就是空间的物质分布。天文学家用它来做很多事情，特别是用来寻找暗物质。暗物质是宇宙实物的主要组分，是普通物质的10倍。由于暗物质并不发出电磁辐射，所以传统的方法没有办法探测它。但它有质量，就不可避免的有引力效应。而探测引力效应，正是弱引力透镜的强项。人们现在用弱引力透镜寻找星系团，测定星系团里的暗物质分布，测定大尺度上的物质分布和相关。以及限制暗能量的参数。

这说起来很像一个魔术。魔术师说，告诉我你看到的星系形状，我可以告诉你在宇宙这个箱子里都隐藏了什么你看不到东西。


图一，显示了远处星系光线在宇宙中穿行被扭曲的示意图。







图二，是用弱引力透镜信号还原物质分布的示意图。左边显示的是模拟的星系。每个粉红的椭圆代表一个星系，小白框里的线段表示在这个小天区里星系的椭率平均大小和方向。右边的图蓝色的就是反演得到的暗物质分布。明亮的地方表示暗物质比较多。

引力透镜(3)

这一篇主要谈论微引力透镜,其实本来讲完强透镜效应本来想接下去说弱的.但最近正好要在文献阅读课上讲一篇微引力透镜的文章,所以就先聊聊这个吧.

说微引力透镜,其实还强引力透镜的一种.回顾以前的内容,强引力透镜现象是由于有一个强大的引力源,比如星系团之类的存在,而使得在这个引力源背后的天体发出的光产生强烈扭曲的情况.微引力透镜效应在这一点上并没有什么本质的不同.之所以称为'微',是因为作为透镜的天体质量很小,小的只有太阳质量的量级,这种效应的时标很短,发生的概率很小.

爱因斯坦实际上很早就计算过微引力透镜的有关性质,不过他发现这种事件的观测效应太小了,所以放弃了进一步的工作.但随着技术的不断进步,在60年代以后,微引力透镜又进入了人们的视野.1986年,著名天体物理第一次引入了"微引力透镜"这个称呼.

最早,寻找微引力透镜现象的人主要想研究的是银河系伴星系中那些一小团一小团的暗物质.但最近几年里,人们发现,为引力透镜实际上是寻找地外行星的有力手段.

想法还是挺简单的,近处作为透镜的恒星与背景恒星在天球上很近的擦肩而过(实际距离很远,但我们看到两个恒星在天空中的位置重合在一起了).这样背景恒星的亮度会由于透镜的影响发生突然的光变.如果作为透镜的恒星并不孤独,而是带有一个或者多个伴侣的话,那么引起背景恒星的光变便会非常的有特点.人们可以通过模型拟和定出行星系统到恒星的距离,行星和恒星的质量之比.

这一寻找地外行星的方法非常的有吸引力.第一,这个方法对行星的质量不敏感.不像其他的方法,只能看到比较大的地外行星.微引力透镜使我们可以追踪地球质量的行星.第二,这个方法对行星相对恒星位置很敏感,而最容易探测到的区间,恰好和最可能存在生命的行星所在的区间类似.


然而观测的难度是巨大的,首先恒星对恒星的引力透镜现象就是非常难以发生的.大约每看到几百万颗麦哲伦云里的恒星,才能够目睹一次恒星对恒星的引力透镜事件.第二,行星系统的微引力透镜现象可以看作一个由恒星引起的主光变,加上一个由行星引起的次级光变.而次级光变的时间非常短暂.并且,虽然可以用这种方法看到行星,但之后,随着两颗恒星位置的离开,我们没有什么办法可以做跟踪观测.

然而科学家们还是乐观的.当年爱因斯坦认为完全不可能看到的事件,我们今天已经以相当高的精度观测到.也许在不久的将来,以上的困难都会被克服.

引力透镜(2)

上一篇文章里探讨了引力透镜的基本概念和现象.下面3篇我打算稍微细致的讨论一下引力透镜的现象.在天文学研究中,人们一般习惯把引力透镜现象分为强弱两种.有意思的是,分类的标准并不是非常严格.

一个引力透镜现象中涉及两种天体,一个是在遥远处的作为光源的天体相当于透镜试验中的蜡烛,称为背景天体,另一个是在背景和观测者之间存在的,使背景光源发出的光线弯曲的透镜天体. 简单的说,强引力透镜现象就是你可以直接从照片上看出来的引力透镜现象,而弱引力透镜现象则是你不能从单个引力透镜系统中得到引力透镜的信息,要通过大量样本的统计提取信息.

那么是不是质量大的天体就一定能造成强引力透镜效应呢? 答案是否定的,从透镜方面说，强的引力透镜源并不需要是质量很大，却需要投影在垂直视线平面上的面密度高。一块浮游在星系中的星云可能质量很大，但因为面密度太低，不能成为很强的引力透镜源。相反的，一个黑洞的质量可能只有几个太阳质量，却可以使周围的空间极大的扭曲。另外，一个引力源即使可以造成强引力透镜现象，也只是在靠近它的区域内，在远离它的地方，时空的扭曲变得比较弱，背景的扭曲就不那么明显了。对于一个点质量来说,人们可以定义一个爱因斯坦环,强引力透镜效应范围就是这个环的尺度,如果背景星系刚好和透镜天体在视线方向重合,则它的像变成一个圈,成在爱因斯坦环上.最后，正好像透镜试验一样，引力透镜天体在背景和观测者之间的位置也决定了它能够造成背景扭曲的程度，一般的说，当透镜天体正好位于背景和观测者中间的时候，透镜的效应最强。

下面我将用图片的语言，来展示强引力透镜的现象。



上面这幅图来自bell实验室的网站,显示了背景星系的光线受到中心星系团的扭曲,最后到达观测者的情况.




左面的图是哈勃望远镜拍摄的图像.一个遥远的星系正好处在一个星系团 CL0024+1654背后.在星系团的强大引力场作用下,背景星系分裂出了5个像.图中的黄色星系是星系团的成员,而蓝色星系是背景星系的像

俞允强先生(1)

俞允强先生是我很敬仰的一位老先生.说来和我还很有渊源.俞允强先生是我的导师范祖辉教授在国内读书时候的导师.这样算来大概要数我的师祖了,但我和俞允强先生个人交往并不太多, 听过他一学期的本科生课程,物理宇宙学,并听过他的几次报告.我想他大概还不能叫出我的名字.

和教普物的几位老先生不太相同的是,俞允强先生自己除了是一位优秀的讲师外还是在国内理论物理方面有名气的教授.他早年在意大利的天体物理研究中心拿到博士学位,据说是意大利该中心培养的第一位博士,在意大利教育学史上有着地位.我没有仔细查证过具体细节.

所谓讲课好的教授大概有两种好法,一种是不但对课程的内容烂熟于心,并且是这门课程的研究者,自己对所讲授的领域有很深刻的洞察力,和真知灼见.另一种是讲课深入浅出,逻辑清晰,能够让每个学生学懂这门课程.学问做的好的教授往往是具有第一种品质,但讲课的技巧并不见得都出色.远的在北大有汤用彤,讲课的时候往台上一站,便如长江大河一样讲下去了,绝不板书,也没有语调变化.下面一片学生笔记声.近的有现在物理学院的副院长刘玉鑫,讲课最喜欢说:"这个你们应该在中学的时候就玩得很熟了"于是幻灯片换得飞快,让学生应接不暇.

俞允强先生则是属于两种品质兼备的人.他在物理学院讲授被称为四大力学的课程,晚期又开了一门物理宇宙学基础,我在大学一年级的时候听过最后这门课,收益良多.单以授课技巧而论俞老先生也可以排在物理学院前3(大概可以和赵凯华,林宗涵等观). 他的课逻辑清晰,节奏感极好.几十年的授课经验,他很清楚学生在什么地方需要思考,这是他就会停顿一下,让大家脑子转到位,然后接着讲下去.每讲完一段他会停下,回顾这段内容,评述这些知识的地位.物理学多公式,他不像很多教授对这些数学清楚地东西一带而过,而是会逐项分析每个项的物理含义和作用.这样,听课的学生很容易在脑中形成物理图象.

陈秉乾先生

陈秉乾先生是教电磁学的,号称是普物四大天王级的老师.这批老先生半生都扑在教学上,科研就不免放下些.但他们教书育人,北大学生物理基础扎实,和他们是分不开的.

陈先生一头银发,高个子.为人和善,学生们按照他姓名的谐音叫他"饼干爷爷".课讲的很好,他对物理学历史很有研究.喜欢回顾物理定律提出的历史.

一个小故事是讲毕奥-沙伐定律,一般人讲过去一个定律得提出总喜欢说"经过了无数的试验...",秉乾先生总是对这个说法很不满.他举毕奥沙伐定律得例子,说当年他为了找这个定律提出的经过,翻遍了图书馆的书,最后发现,毕奥和沙伐提出这个定律一共只有一个半试验数据.


两个听来的故事

课间 爷爷穿着小棉袄出去溜达一圈吸了烟
回来后见全班做倒伏状 啪啪啪三个响指 然后才“大家都醒醒啊～”

讲到爱因斯坦的光电效应 说人家爱因斯坦26岁时白天还要出去跑专利 就利用晚上或者
周末搞研究。。。突然一句“天才真是没办法！”然后自己也大笑。。。


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