外观
Observational Cosmology
—— Lessons Learned & Frontiers Ahead
赵成老师恰好是「天体物理统计方法」的授课老师.
这是第一场正式的讲座，我们从最大的 senario 开始讲起. 这也是人类最早探寻的科学之一.
我们目前有很多国际上的大型观测天文学项目：
- DES：multi-probe cosmology
- DESI：dynamical dark energy
- Euclid：Q1 quick data release
- ACT：CMB power spectrum
- KiDS：cosmic shear
This is a big party！
我们现在需要更加大的观测或者说实验，来更加深入地了解宇宙. 这次讲座我们要了解我们从观测天文学学到了什么，我们要如何进行下一步的研究.
A Historical Review
宇宙学是研究宇宙结构、演化和宇宙起源的一门学科.
但是我们不能自己做「宇宙学」的实验，只能观测宇宙；而且我们的宇宙只有一个，我们只能确认宇宙在演化过程中发生了什么，但是无法重复这样的演化过程. 所以我们的研究只能是这样的：
他还真喜欢这张关系图 (
我们已经用望远镜观测了很多年宇宙，但是我们观测够了吗？
最早期的时候，人类只能用裸眼观测宇宙. 如果在远离人类踪迹的野地整晚观察夜空，你可能会发现整个夜空是旋转的，绕着 Polaris (北极星). 这是我们唯一能够发现的事实. 因此在这样的观测条件下，人们合理地做出假说：地球在宇宙的中心，天空中的星星绕着我们旋转.
实际上我们现在做的事情也是一样 —— 观测、给出模型，再用观测来验证. 我们并没有比以前的人类聪明多少，只是观测到的数据远远多于从前.
沿着历史的发展，人们开始能够使用望远镜来辅助自己的观测. 这时人们发现星体的运动和之前的简单旋转不太一样，比如火星出现了周期性的退行. 人们需要修改自己的模型，于是提出了本轮和均轮 (epicycle). 到这个时候，本轮和均轮使得理论变得越来越复杂.
Copernicus Revolution：Copernicus 用日心说极大地简化了当时复杂的地心说.
Tycho's argument: parallax (1600s)：Tycho 发明了用角秒来描述星体距离的方法，他利用夏天和冬天地球相对于太阳的位置不同，观察到的星体位置不同，来证明日心说的成立. 同时，如果日心说成立，星体离我们的距离不会这么远. 因此他得到近似于目前的宇宙理论，但是限于时代，他没有提出新的理论，而是选择了更加贴合他观测的日心说.
之后 Galileo 得到了新的观测数据、Kepler 得到了星体的运行定律，再加上 Newton 的新理论出现，日心说终于得到认可. 同时，人们的观念进化了，我们现在知道，不管是地球还是太阳，都不是宇宙中特殊的观察者. 这构成了现代宇宙学的基础，所以我们说，这时现代宇宙学的开端.
第一条宇宙学定律是 Newton 的引力定律：
当然，到 1915 年，Einstein 创造了广义相对论. 不过 Newton 的定律仍然在大多数的情况下适用.
提示
Quiz：如果只有引力，宇宙到底是会稳定存在、扩张还是坍缩？
因为 Copernicus 原理，宇宙没有中心，所以宇宙一定不会稳定存在 (不会有一个中心让宇宙能够稳定旋转). 由不同的初始条件，宇宙可能减速膨胀或者坍缩.
但是 1920's，Hubble 发现 Hubble 定律，越远的星体就以越大的速度远离我们，因此宇宙是正在扩张的. 那么我们可以预测，在时间的早期，宇宙一定非常小、非常热，宇宙存在一个起点.
Lemaitre & Gamov 提出大爆炸理论 (1927)，预测早期的光子频率越来越低，到现在为止应该是射电波段，也就是 CMB. 1964 年 Penzias & Wilson 观测到了这样的微波背景辐射，这时已经过去了将近 40 年.
提示
为什么观测证据和理论结果时间上相差这么多？
这和十年前发现的引力波差不多，引力波的预言也是在 1920-1930's.
因为宇宙学是极度依赖于技术的，人们需要花数十年来发展强大的技术才能探测这样的微小结果，宇宙学不仅是 science 的，也是 technology 的.
1998 年，人们利用造父变星作为新的宇宙标准尺度，发现现在的宇宙正在加速膨胀：
从历史的发展来看，我们对宇宙的了解永远受限于对宇宙的观测. 新的观测手段总是革命性的加深我们对宇宙的认识. 到目前为止，宇宙学仍然是一门观测驱动的科学，所以：DO OBSERVE!
不管是地心说还是现代宇宙模型，其中的逻辑并没有变化：
- 基于观测数据合理推测建模
- 发现异常
- 加入新的理论修正来描述异常
- 宇宙模型复杂化
- 会有一个新的 Copernican Model 吗？
就像现在，我们发现了暗能量和暗物质，对现有的模型做了很多修正. 但是这是否让理论变得更加复杂了？
Cosmological Probes
Distance Ladder
Distance Ladder: Parallax
用地球在不同季节的不同位置，观察星空中同一颗星的不同位置，来测量星体距离我们的距离、星体之间的相对距离.
Gaia Mission 卫星就是做这个工作的. 但是这个方法只能测量不太远的星体，测量范围甚至没有超出银河系.
Distance Ladder: Variable Stars
用变星来测量距离，变星的亮度随着引力坍缩和核反应膨胀而周期性变化，这个周期和亮度在地球上可以测量，所以可以用亮度随距离的变化来测量距离.
这样的方法的测量范围取决于我们用到的变星位置.
Distance Ladder: Galaxy Properties
利用星系的位置关系来测量距离.
Type Ia Supernova： 型超新星，它们爆炸后有同样的亮度，且我们了解这样的超新星的亮度变化曲线，可以作为标准烛光. 这种测量方法已经将范围拓展到红移 1 的星体.
CMB
CMB 的温度大致是 ，在这样的 CMB 温度图下，我们能看到非常好的单极温度谱，这提供了一个很好的 Copernicus 原理的证明：宇宙是均匀的. 另外有一个偶极项，当然可能是宇宙不均匀，不过我们更愿意相信是地球与 CMB 之间有一个相对的速度.
同时 CMB 的功率谱有一些两点关联函数，这些表征了宇宙早期的量子涨落.
CMB 对于宇宙的曲率 也有揭示 (见 星系与宇宙).
CMB 的发现表征宇宙的 是暗能量， 是暗物质，只有剩下的一点是我们已经熟知的物质.
提示
CMB 是我们能看到的最早的宇宙吗？
并不是，中微子的解耦更早，如果我们利用中微子来测量宇宙，我们能看到更早的所谓 CB.
Galaxy Clustering
早期宇宙存在量子涨落，重子和光子组成的耦合体随着量子涨落的增长而膨胀，但是光子解耦后，重子留在原地，形成了一个声学波，这个声学波的速度慢于逃逸的光速；另外，暗物质的运动速度更加缓慢，解耦也更早，留下来的声学波边界也更小.
这样的声学波在解耦之后被固化，可以测量不同位置的重子声学震荡 (BAO)，来确定宇宙早期是如何膨胀的，了解暴涨时期的暗能量作用.
DESI 的研究就是在利用 BAO 来探究暗能量的本质.
Tsinghua 的有关新项目是 MUST，我们想要研究更大量的星系，获得更大量的数据集.
还有很多另外的 massenger，比如弱引力透镜、引力波 (探测黑洞融合)、……
提示
我们能合并不同的这些方法得到的结果吗？
NO! 这些方法得到的结果并不一样！这意味着总有一些方法有问题，或者受到了未知的涨落干扰.
到目前为止，观测天文学还是有很多未知的内容.
更新日志
2025/9/23 07:43
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