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【科学讲座】陈学雷:宇宙黑暗时代与黎明

2018年5月10日晚7点,科学前沿进展名家系列讲座Ⅳ第136讲在玉泉路校区阶一4教室举行。主讲人是中国科学院国家天文台宇宙暗物质暗能量团组首席研究员、星系宇宙学部副主任、博士生导师陈学雷老师,讲座的主题是“宇宙黑暗时代与黎明”。陈老师从宇宙大爆炸的历史、中性氢的21cm谱线、全天平均谱实验、空间先导项目的背景型号等几个方面向同学们介绍了对宇宙的dark age和第一代恒星的观测和研究手段。

在宇宙大爆炸结束之后,微波背景辐射将宇宙中的气体电离,气体处于等离子体状态,温度冷却后电子逐渐依附到原子核上,形成中形原子。陈老师解释道,由于该时期宇宙中没有恒星和星系,只有透明的气体,所以被称为“dark age”。此时宇宙的气体大多处于均匀状态,微小的密度涨落被万有引力放大,放大到一定程度之后开始形成结构,于是就诞生了第一代原恒星,迎来了宇宙的“黎明”。大量恒星形成后辐射出可见光和紫外线,能量较高的光子将星系中间的粒子再次电离,宇宙进入了再电离时期。

接下来,陈老师重点向我们介绍了中性氢的21cm谱线。由于氢原子核和电子的自旋取向平行或反平行产生了基态氢原子的超精细结构,21cm谱线就是指基态氢在两个超精细结构之间跃迁产生的波长为21cm的辐射。陈老师指出,对于21cm谱线的温度受氢原子自旋温度影响很大,只有自旋温度大于微波背景辐射温度时,才能观测到发射信号。但是自选温度又是由多方面因素决定的。陈老师用铜块的传热做比喻:“就好像同时将铜块放在火和冰的周围,温度呈现平均值,哪一个影响大,平均的权重就大。”莱曼阿尔法光子、气体自身运动学温度、微波背景辐射光子等都对自旋温度造成很大影响。

随后陈老师给同学们简单介绍了21cm谱线的三种观测手段,世界上已有的可以进行观测的射电望远镜阵以及中国和世界未来对该方面的观测规划。

讲座的最后,陈老师向同学们介绍了我国定于今年5月21日发射的嫦娥四的中际卫星“鹊桥”。嫦娥四将成为人类首颗发射到月球背面的卫星,先于嫦娥四号发射的“鹊桥”承担了转接卫星的职责。

在最后的讲座提问环节中,同学们踊跃地发言。有同学问到中微子对暗物质的影响,陈老师解释说中微子目前仅仅是标准模型中的粒子,并没有直接证据证明它的存在,所以对中微子性质的认识还很有限,暂时不能借助中微子去研究别的物质。陈老师还提到了有关“中微子存在磁矩”的非主流学派观点。接下来同学们又问了几个和暗物质有关的问题,陈老师都耐心地一一做了解答。在同学们热烈的掌声中,本次讲座拉下了帷幕。(文/张璐 图/张璐 来源 国科大记者团)

 

陈学雷老师带来精彩讲座

主讲人介绍:

陈学雷,博士,1969年生于北京,1999年哥伦比亚大学博士毕业。现为中国科学院国家天文台宇宙暗物质暗能量团组首席研究员,星系宇宙学部副主任,博士生导师,中国科学院大学岗位特聘教授。从事暗物质、暗能量、星系大尺度结构等宇宙学研究,主持暗能量射电探测实验(又称“天籁计划”)、超长波天文观测阵列背景型号研究,已发表研究论文一百余篇。入选中科院百人计划,曾获国家杰出青年科学基金,国家百千万人才工程有突出贡献中青年专家,政府特殊津贴等。

延伸阅读:

“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学、生物、材料、计算机、天文、电子信息工程、环境九个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。