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## Introduction

*这居然是英文授课？！*

Professor in charge: CUI Wei.

课程目标：分享在天体物理前沿研究中的 excitement；介绍很多在前沿天体物理研究中的方法和工具；促进大家的独立 / 批判性思维；加强大家的科学写作和报告能力.

> 会邀请很多不同领域的专家前来分享他们正在做的东西，我们鼓励所有人提问，这也是一种对报告者的鼓励.
>
> 期末会有 presentation.
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> 鼓励大家跟着被邀请来的教授们做一些 research，这在读研的路上或许是很大的帮助.

因为是「前沿」，所以很多问题都是还未解决的，这需要首先提醒大家.

每节课会集中于一个主题，来自请来的教授自己所做的研究领域，但是会留在比较 introductory 的阶段，让大家能够听懂. 每次都会有 Q\&A 的环节，希望大家能够自由讨论. 另外，会推荐给大家很多 in-depth exploration 的阅读材料，促进大家在这个领域更加深入地研究.

课表：

* 09/16: Introduction and overview (Prof. CUI Wei)
* 09/23: Cosmology (Prof. ZHAO Cheng)
* 09/30: Black holes and gravitational waves (Prof. YANG Huan)
* 10/07: Oct Holiday break
* 10/14: Dark matter and gravitational lensing (Prof. XU Dandan)
* 10/21: Cosmic ecosystems (Prof. QU Zhijie)
* 10/28: Astrophysics on supercomputer (Prof. LI Hui)
* 11/04: Cluster of galaxies (Prof. HUANG Song)
* 11/11: Densest stars in the universe (Prof. LI Xinyu)
* 11/18: Cosmic radio flashes (Prof. LI Dongzi)
* 11/25: Other suns and habitable worlds (Prof. WANG Xuesong)
* 12/02: Largest radio telescope in the world (Prof. LI Di)
* 12/09: Large optical telescope made in Tsinghua (Prof. CAl Zheng)
* 12/16: Space-borne observatories (Prof. CUI Wei)
* 12/23: In-class presentation
* 12/30: In-class presentation

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我在考虑把这个课表放在 README，并附上超链接作为每节课的跳转渠道.

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成绩由出勤率和课堂 presentation 来决定，presentation 的主题由抽签决定.

> 好吧我不能用中文提问.

老师的自我介绍：高能天体物理学家，用 X 射线或者 $\gamma$ 射线作为探测方式来观测宇宙. 这里的技术难点是，大气层会阻挡这么高频率的射线，当然这可以是一件好事. 所以这种观测方式需要将观测装置发射到大气层之外；或者间接地，用探测装置测量高能射线在大气层反应产生的粒子，这些粒子的速度甚至超出了大气中的光速，它们的存在时间也非常短，几纳秒就会消失.

如果我们的人眼对高频波段敏感，我们抬头仰望星空时看到的应该是大量的黑洞和射电星，但是我们的眼睛恰好对光学波敏感.

一些经历：老师在年轻时想成为一名凝聚态物理学家，当时的研究组研制了一种探测器，做出了一些 ground-breaking 的结果. 但是现在老师在进行一个 Hot Universe Baryon Surveys (宇宙热重子探寻计划). 说这件事是想让大家知道，可以花很长的时间来找到自己真正感兴趣的东西.

Hot Universe Baryon Surveys (宇宙热重子探寻计划) 想要做的问题是，我们推测宇宙中的普通物质应该占比 $5%$，但是目前观测到的只有一半，我们想要找到 the missing atoms. 目前，已经把一台称为 DIXE 的探测器发射到了中国空间站上，就像 CT (Computer Tomography)，它是将空间图像分片、用电脑编辑成为一个三维的模型. 但是这里有不同，因为更遥远的实际上代表着更早期的宇宙，这样的「CT 图像」意味着我们能够了解宇宙的 evolution. 当然，现在的处理技术还只能达到几千 pixels 的程度，但是至少我们在进步.

新时代的天体物理：

* 更多元的波长范围：Radio、UVOIR、X-ray、Gamma-ray、……
* 更多观测手段：比如中微子、引力波、宇宙射线、……

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## Across the Cosmic Time

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—— The Universe at a Glance

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从 Paul Gauguin 的画作谈起：我们从哪里来？我们要到哪里去？

最原始的问题是：宇宙是从哪里来的？

> Big Bang Theory，证据是
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> * 宇宙的膨胀 (Hubble's law)，当然 Hubble 本人认为这就是 Doppler 效应，这样的理解是有错误的.
> * 原始元素：H、D、He、Li 等轻元素的含量，这是大爆炸核合成得到的.
> * CMB.

Hubble 理解错的点在于，时空本身在膨胀，而不是一个「有限的宇宙」或者什么空间，膨胀的东西是 unit，而不是真实的距离.

目前的 JW 望远镜已经可以看到 $2%$ 宇宙年龄以前的宇宙状态，几乎是黑暗时代结束后第一代恒星形成的时期，我们已经很接近第一代恒星了.

在宇宙大爆炸的最开始 3 min，质子之间才能靠得足够近，其中的 quark 可以产生量子隧穿，这时 pp 反应可以发生. 之后宇宙冷却，质子的散射已经结束了，剩下的是光子在重子之间的散射和重子核合成过程.

之前在星系与宇宙课也讨论过，可以通过研究宇宙合成的重子物质各种元素的含量来确认宇宙的演化特性.

电子可以以散射的方式束缚光子，在温度降低到一定程度之后，质子会捕获电子形成 H，这时光子和重子就解耦了，产生宇宙的第一缕光，也就是 CMB. 这里推荐一本书：*Very First Light*.

如果用更精确的仪器测量 CMB，会看到很多涨落，这些是「cosmic seed」，正是这些涨落产生了之后的星系与尘埃. 同时，如果计算两点关联函数，会发现这些涨落存在一系列的关联特性.

> 这里提到，当前的天文已经进入了 precise 的阶段，不再是之前那种误差比原始值还要大的时代了.

课上放了一个视频，演示暗物质的演化：暗物质只能通过引力相互作用，在计算机的演示下，如果让它们跟随引力演化下去，能够形成类似星系的大尺度结构. 但是如果加入重子物质的影响，重子物质集中在一起生成的爆炸会影响整个大尺度结构.