引力与宇宙学
课程编码：180201070401P2008H
英文名称：Gravity and Cosmology
课时：60
学分：3.00
课程属性：专业核心课
主讲教师：陆由俊等
教学目的要求
本课程是天文学科天体物理专业博士、硕士研究生的核心课程，星系宇宙学方向研究生的必修课，同时也可作为理论物理专业研究生、理论物理和天文专业高年级本科生的选修课。本课程主要介绍标准宇宙学模型, 内容为现代宇宙学的基本理论和实验观测，包括宇宙论基础、宇宙的膨胀、宇宙的热历史、宇宙学模型的观测检验、宇宙大尺度结构和星系形成的基本理论及观测检验、以及引力波理论、实验和引力波天体物理等的最新发展前沿等。目的在于使学生通过本课程的学习，能够掌握现代宇宙学中的基本概念、理论模型、主要观测方法和重要结果，了解宇宙学的主要研究手段、未解决的问题和前沿方向，明了引力波的理论基础、实验探测和发展前沿，为进一步学习天体物理、理论物理和进行宇宙学、星系形成演化和引力波天体物理方面的专业研究打下基础。
预修课程
理论力学、电动力学和狭义相对论、量子力学、统计力学、数学物理方法、天体物理中的辐射机制、广义相对论
大纲内容
第一章 引论和广义相对论时空理论简介
第1节 人类对宇宙的认识过程 1学时 陆由俊
第2节 相对论和时空 0.5学时 闫昌硕
第3节 等效原理、相对性原理 0.5学时 闫昌硕
第4节 张量分析、度规、测地线方程、时空曲率张量 0.5学时 闫昌硕
第5节 Einstein场方程 0.5学时 闫昌硕
第6节 其它引力理论简介 2学时 闫昌硕
第二章 宇宙的膨胀和宇宙学模型
第1节 宇宙学原理 1.5学时 闫昌硕
第2节 Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker 度规 1.5学时 闫昌硕
第3节 宇宙膨胀的动力学-标准模型、宇宙组分 1.5学时 闫昌硕
第4节 暗物质与暗能量、Hubble常数、宇宙命运、宇宙学红移、宇宙距离、AP-检验、以及宇宙学模型的观测检验等 1.5学时 闫昌硕
第三章 宇宙的热历史
第1节 宇宙微波背景黑体辐射的理论和观测历史 3学时 闫昌硕
第2节 基本粒子、统计平衡态下的理想流体、热平衡与光子和中微子退耦、宇宙再复合 3学时 闫昌硕
第3节 微波背景－黑体辐射、SZ效应；最新微波背景实验观测； 2学时 闫昌硕
第四章 原初核合成
第1节 原初核合成的链式反应 1学时 闫昌硕
第2节 原初核丰度 1学时 闫昌硕
第3节 弱相互作用暗物质粒子的退耦和丰度 1学时 闫昌硕
第五章 暴胀宇宙学
第1节 标准宇宙学模型的几个疑难问题 0.5学时 陆由俊
第2节 暴胀宇宙 0.5学时 陆由俊
第3节 慢滚模型 0.5学时 陆由俊
第4节 原初扰动 1学时 陆由俊
第5节 其它模型 0.5学时 陆由俊
第六章 宇宙大尺度结构的基本理论
第1节 线性扰动理论 2学时 陆由俊
第2节 Zeldo’vich近似 2学时 陆由俊
第3节 相对论性扰动理论简介、转移函数 1.5学时 陆由俊
第4节 大尺度结构的平均场统计理论、相关函数、扰动谱归一化 0.5学时 陆由俊
第七章 宇宙大尺度结构的观测检验和关键问题
第1节 相关函数的测量 0.5学时 陆由俊
第2节 微波背景各项异性谱 0.5学时 陆由俊
第3节 星系功率谱测量 1.5学时 陆由俊
第4节 重子声波振荡 1.5学时 陆由俊
第八章 非线性扰动理论、宇宙结构形成和暗物质晕
第1节 非线性演化和球坍缩模型 2学时 陆由俊
第2节 Press-Schechter公式理论体系、暗物质晕的并合树 2学时 陆由俊
第3节 暗物质晕的结构 2学时 陆由俊
第九章 引力透镜
第1节 引力透镜原理 1学时 陆由俊
第2节 强引力透镜、微引力透镜、弱引力透镜 1学时 陆由俊
第3节 引力透镜的宇宙学应用 1学时 陆由俊
第十章 星系形成演化和观测检验
第1节 星系和活动星系简介 2学时 陆由俊
第2节 星系形成包含的各种物理过程－气体冷却、恒星形成、气体和金属物质反馈、恒星盘和核球的形成、星系并合和成长、中心黑洞活动的反馈 2学时 陆由俊
第十一章 宇宙学前沿问题
第1节 哈勃常数测量和研究现状 2学时 陆由俊
第2节 暗物质探测和研究现状 2学时 陆由俊
第3节 暗能量探测和研究现状 1学时 陆由俊
第4节 多重宇宙及其它 1学时 陆由俊
第十二章 引力波天体物理和引力波宇宙学
第1节 引力波基本理论 1学时 陆由俊
第2节 引力波天体物理源－双黑洞、双致密星等 1学时 陆由俊
第3节 原初引力波、宇宙学起源引力波 1学时 陆由俊
第4节 地基、空间、脉冲星计时阵列、原初引力波探测 1学时 陆由俊
第5节 引力波本质和引力波宇宙学 2学时 陆由俊
参考书
1、
Cosmology
Steven Weinberg
2008
Oxford University Press
2、
Gravitation and Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity
Steven Weinberg
1972
Wiley-VCH
3、
Cosmological Physics
John A. Peacock
1999
Cambridge University Press
4、
Modern cosmology
Scott Dodelson
2003
Academic Press
5、
Galaxy Formation and Evolution
Houjun Mo , Frank van den Bosch , Simon White
2010
Cambridge University Press
6、
Gravitational-Wave Physics and Astronomy: An Introduction to Theory
J. Creighton and W. Anderson
2011
Wiley-VCH
课程教师信息
陆由俊，男，1971年出生，安徽无为人，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学天文与空间科学学院副院长，中国天文学会、北京天文学会会员。1997年获得中国科学技术大学博士学位。1997年至1999年在中国科学技术大学任教，1999年至2008年先后在普林斯顿大学天体物理科学系、加拿大理论天体物理中心、加州大学伯克利分校天文系、圣克鲁兹分校天文系等地访问研究。于2008入职中科院国家天文台工作至今。研究成果发表于国际知名期刊，包括ApJ，MNRAS, A&A等，总计110余篇。先后承担国家自然科学基金项目5项、参与国家重点研发计划2项。 闫昌硕，女，1981年出生，中国科学院国家天文台副研究员，2010年毕业于中科院高能所并获得博士学位。2010年至2014年在国家天文台从事博士后研究，于2014年入职中科院国家天文台工作至今。主要从事活动星系核，双黑洞和引力波方面的研究。研究成果发表于国际知名期刊20余篇。先后承担国家自然科学基金项目1项、参与国家重点研发计划2项。