本文關鍵詞： 宇宙學 暗物質(zhì) 暗能量　出處：《南京大學》2012年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：現(xiàn)代宇宙學的研究開始于1917年,愛因斯坦寫出廣義相對論場方程后,把它用來研究宇宙學問題。愛因斯坦首先假設宇宙是均勻的和各向同性的,然后應用廣義相對論,得到一組方程。解這一組方程后,愛因斯坦發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)宇宙是一個不穩(wěn)定的態(tài),時空隨宇宙不斷膨脹才是一般解。由于愛因斯坦本人先驗的認為宇宙應該是靜態(tài)穩(wěn)定的,所以他在場方程中加入了一個宇宙學常數(shù)項。在1929年,哈勃通過連續(xù)不斷的天文觀測,證明遠離我們的星系的光譜有紅移現(xiàn)象,而且距離和紅移成正比關系。這是宇宙膨脹的直接而有力的證據(jù)。 二十世紀四十年代,伽莫夫與他的兩個學生：拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼,提出了熱大爆炸宇宙學模型。熱大爆炸宇宙學模型認為,宇宙最初開始于高溫高密的狀態(tài),溫度可達幾十億度,甚至更高。隨著宇宙的膨脹,物質(zhì)的溫度逐漸降低,各種核在原初核合成時代形成,光子在電子和原子核形成原子后,也退耦合,而以宇宙微波背景輻射的形式存在。1964年美國無線電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的存在,證實了他們的預言。此外熱大爆炸宇宙學模型也成功的解釋了組成宇宙的各種核子的比例。 1998年,對Ia型超新星的觀測發(fā)現(xiàn)遠處的超新星的亮度比較暗,這表明宇宙處在加速膨脹過程中。這一觀測引起了廣泛的討論,有兩種思路來理解這個現(xiàn)象。一是認為我們宇宙中還有一種表現(xiàn)為負壓強的暗能量存在,另一種是認為愛因斯坦的廣義相對論只是在小尺度才有效,宇宙尺度上應該做必要的修改。在本文中主要討論暗能量模型。 暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)相對更早一些,證據(jù)也更充分一些。從早期的星系旋轉(zhuǎn)曲線的測量,到現(xiàn)代引力透鏡,大尺度結(jié)構等。對于暗物質(zhì)的實驗探測,也在有條不紊的進行著,從對撞機到地下實驗室的直接探測試驗,再到各種衛(wèi)星的間接探測。盡管已經(jīng)取得了很多成就,但是我們?nèi)匀徊恢腊滴镔|(zhì)是何種性質(zhì)的粒子。最流行的暗物質(zhì)粒子模型是大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMP)。暗物質(zhì)的問題已經(jīng)成為現(xiàn)代物理學中最重要的基本問題之一。 根據(jù)現(xiàn)代宇宙學的知識,我們知道,暗能量占據(jù)宇宙總量的73%,暗物質(zhì)則占了宇宙的23%,我們通�？梢姷闹刈游镔|(zhì)只占大約4%。 我們對暗物質(zhì)、暗能量進行了初步的研究,得到了一些結(jié)果。我們的工作大致三部分： 第一部分我們提出了一種新的暗能量狀態(tài)方程,這種新的狀態(tài)方程在紅移趨近于無窮大時沒有發(fā)散問題。這種新的參數(shù)化能夠有效的描述暗能量的行為。我們研究了這種參數(shù)化的宇宙微波背景的角功率譜并用現(xiàn)有宇宙學數(shù)據(jù)限制了狀態(tài)方程的參數(shù)。我們發(fā)現(xiàn),在這種暗能量參數(shù)化形式下,和數(shù)據(jù)最相符合的是狀態(tài)方程參數(shù)是Quintom型的。ACDM在1σ的范圍內(nèi),是不能被排除的。 第二部分我們利用這宇宙學觀測數(shù)據(jù),對早期暗能量模型的參數(shù)進行了限制。表征早期暗能量大小的參數(shù)Ωe。的最佳擬合值為0.0129,但是Ωe=0在1σ范圍內(nèi)。這表明沒有足夠的證據(jù)證明早期暗能量的存在。此外,我們還用數(shù)據(jù)限制了兩種里奇暗能量的參數(shù)。 第三部分,我們利用Fermi-LAT三年的數(shù)據(jù),尋找球狀星團NGC6388和M15的暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的γ射線可能的信號。Fermi組已經(jīng)觀察到NGC6388的γ射線輻射,觀察到的γ射線能譜和毫秒脈沖星的譜線是符合的。同時,暗物質(zhì)湮滅到bb,然后產(chǎn)生γ射線得到的能譜和觀測到的能譜也符合的比較好。球狀星團M15沒有觀測到顯著的γ射線輻射。我們給出NGC6388和M15的暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的γ射線的通量的上限,其中暗物質(zhì)湮滅的產(chǎn)物為bb,W+W-,μ+μ-,τ+τ-和單色光。這些通量的上限給出的對暗物質(zhì)的質(zhì)量和散射截面的限制,比Fermi組通過矮星系γ射線觀測給出的限制要強幾倍。
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【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：P145.9

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本文編號：1496921