引力与宇宙学  031M4005H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:陆由俊,曹亮,闫昌硕
授课时间: 星期三, 第5、6、7节
授课地点: 教1-305
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12
授课时间: 星期一, 第5、6、7节
授课地点: 教1-305
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12
课程编号: 031M4005H 课时: 72 学分: 4.0
课程属性: 专业核心课 主讲教师:陆由俊,曹亮,闫昌硕
英文名称: Gravitation and Cosmology

教学目的、要求

本课程为天文学科各专业博士、硕士研究生的专业核心课程,星系宇宙学方向研究生的必修课,同时也可作为物理专业研究生、物理和天文专业高年级本科生的选修课。本课程主要介绍广义相对论引力理论和标准宇宙学模型, 内容为广义相对论和现代宇宙学的基本理论和实验观测,包括广义相对论基础、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的最新发展前沿等。通过本课程的学习,希望学生能够基本掌握广义相对论的基础理论、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,了解宇宙学主要的研究手段、未解决的问题和研究方向,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

教 材

1、自编讲义课件;
2、其它主要参考书:
  (a)S. Weinberg, 2008, Cosmology;
  (b)S. Weinberg, 1972, Gravitation and Cosmology: principles and applications of the general 
       theory of relativity;
  (c)J. A. Peacock, 1999, Cosmological Physics; 
  (d)S. Dodelson, 2003, Modern Cosmology; 
  (e)H. Mo et al. 2010, Galaxy formation and evolution;
  (f)J. D. E. Creighton W. G. Anderson 2011, Gravitational wave physics and Astronomy。

主要内容

1、引论、人类对宇宙的认识过程 (1学时); 
2、广义相对论时空理论(微分几何)简介(8学时,难点): 
   相对论和时空、等效原理、相对性原理、张量分析、度规、测地线方程、时空曲率张量、
   Einstein场方程;
3、广义相对论的真空解-黑洞,引力波(6学时,难点):
   史瓦西黑洞、Kerr黑洞、引力波的平面波解、引力波在宇宙中的传播;
4、宇宙的膨胀和宇宙学模型(8学时,重点讲述宇宙学的一些基本概念和标准模型; 闫昌硕
   主讲6学时):
   宇宙学原理、Friedman-Robertson-Walker 度规、宇宙膨胀的动力学-标准模型、宇宙组分、
   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; 
5、宇宙的热历史(8学时,宇宙的热演化历史和各类物质生成历史,重点讲述内容): 
   宇宙微波背景黑体辐射的理论和观测历史、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、微波背景-黑体辐射、SZ效应、COBE、WMAP、
   PLANCK和SPT、ACT等的最新观测;
6、原初核合成(5学时;了解重要观测前沿):
   原初核合成的链式反应、原初核丰度、弱相互作用暗物质粒子的退耦和丰度;
7、暴胀宇宙学 (3学时;了解重要研究前沿,掌握暴胀理论基本框架和概念):
   标准宇宙学模型的几个疑难问题、暴胀宇宙、慢滚模型、原初扰动等;
8、宇宙大尺度结构的基本理论 (6学时;重点;3学时由曹亮主讲):
   线性扰动理论、Zeldo’vich近似、相对论性扰动理论简介、转移函数、大尺度结构的平
   均场统计理论、相关函数、扰动谱的归一化等; 
9、宇宙大尺度结构的观测检验和关键问题(4学时):
   相关函数的测量、微波背景各项异性谱、星系功率谱测量、重子声波振荡等;
10、非线性扰动理论、宇宙结构形成和暗物质晕 (8学时;重点):
    非线性演化和球坍缩模型、PS公式理论体系、暗物质晕的并合树、暗物质晕的结构;
11、引力透镜(3学时;曹亮主讲):
    引力透镜原理、强引力透镜、微引力透镜、引力透镜的宇宙学应用等;
12、星系形成演化和观测检验(6学时;了解星系形成内容):
    星系和活动星系简介、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等;
13、引力波探测、引力波天体物理和引力波宇宙学(6学时)
    引力波天体物理源-双黑洞并合、双致密星并合、原初引力波,引力波探测实验-地基、
    空间、脉冲星计时阵列、原初引力波探测,引力波本质和引力波宇宙学。

参考文献

多篇发表经典文献