【摘要】：大爆炸(Big Bang)宇宙學(xué)被認(rèn)為有三大實(shí)驗(yàn)基石：Hubble膨脹,原初核合成和宇宙微波背景輻射(CMB)。在這三大實(shí)驗(yàn)事實(shí)之上,基于宇宙學(xué)原理和廣義相對(duì)論,標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型便基本建立了起來(lái)。一方面,它給出了一個(gè)隨時(shí)間演化的均勻各向同性的背景宇宙,背景宇宙的演化由尺度因子來(lái)描述,尺度因子的演化遵守Friedmann方程。另一方面,現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為真實(shí)的宇宙是一個(gè)存在擾動(dòng)的宇宙：宇宙的時(shí)空存在微小的不均勻性,宇宙中的物質(zhì)分布存在結(jié)團(tuán)性。一個(gè)在背景之上存在微小漲落的宇宙可以通過(guò)線性擾動(dòng)理論來(lái)描述。今天宇宙中如此多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的存在都是原初宇宙的密度擾動(dòng)由于引力不穩(wěn)定性演化而形成的,而原初宇宙的密度擾動(dòng)的產(chǎn)生可以用暴漲理論給予解釋。暴漲理論認(rèn)為,極早期的宇宙是高度的均勻各向同性的。在能標(biāo)大約1015GeV時(shí)候,宇宙經(jīng)歷了一次十分短暫的加速膨脹過(guò)程。在此期問(wèn)的產(chǎn)生的微觀尺度上真空量子漲落被迅速拉出視界,從而在宏觀尺度上凍結(jié)成為了經(jīng)典的原初擾動(dòng)。隨著觀測(cè)設(shè)備的改善和觀測(cè)技術(shù)的提高,目前宇宙學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)入了精確時(shí)代。精確時(shí)代的宇宙學(xué)研究體現(xiàn)在能夠利用較精確的宇宙學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙學(xué)模型參數(shù)的較精確測(cè)量。在這個(gè)階段,觀測(cè)宇宙學(xué)取得了一系列進(jìn)展。其中十分有意義的有兩件事：a.1998年利用較遠(yuǎn)的Ia型超新星數(shù)據(jù)(SNIa)確定了宇宙在加速膨脹,這暗示了暗能量的存在；b. COBE之后的兩代CMB各向異性測(cè)量衛(wèi)星WMAP和Planck精確的給出了宇宙背景微波輻射漲落的角功率譜,這使得我們可以細(xì)致的對(duì)宇宙早期的物理過(guò)程進(jìn)行研究。目前來(lái)自宇宙微波背景輻射,重子聲波振蕩(BAO),Ia型超新星等傳統(tǒng)宇宙探針的數(shù)據(jù)仍然支持宇宙學(xué)常數(shù)冷暗物質(zhì)模型(ACDM)。在這個(gè)模型之下,宇宙是空間平坦的,具有近標(biāo)度不變的原初標(biāo)量擾動(dòng)譜,宇宙的總能量密度中其中有約70%是宇宙學(xué)常數(shù)(A)暗能量,近25%是冷暗物質(zhì)(CDM),只有約5%是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型(SM)下的物質(zhì)。當(dāng)然,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)也同樣支持一些超出ACDM的模型,這些模型在ACDM模型的基礎(chǔ)上引入了一些額外的參數(shù)。但是,由于在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)之下宇宙學(xué)參數(shù)之間存在著各種簡(jiǎn)并,使得即使一些精度較高的數(shù)據(jù)也無(wú)法給這些模型中的一些關(guān)鍵參數(shù)以很好的限制。所以我們考慮采用一種較新的宇宙學(xué)探針—對(duì)Hubble參量的直接測(cè)量。Hubble參量反映了宇宙膨脹的歷史,它與宇宙中各個(gè)組分的信息聯(lián)系在一起,我們期待可以用它的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)打破簡(jiǎn)并,并改善限制。我們?cè)趥鹘y(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加入哈勃參量的觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)參數(shù)化的各種超出ACDM的擴(kuò)展宇宙學(xué)模型進(jìn)行了限制。結(jié)果顯示,由于哈勃參量的數(shù)據(jù)可以給宇宙晚期的膨脹率提供額外的信息,所以當(dāng)把不同紅移的數(shù)據(jù)點(diǎn)包括進(jìn)入分析之后,對(duì)打破某些宇宙學(xué)參數(shù)之間的簡(jiǎn)并起到了較大幫助,從而對(duì)這些參數(shù)給出了更好的限制；另外,由于一些擬合參數(shù)與Hubble常數(shù)Ho存在簡(jiǎn)并,所以Ho的直接測(cè)量值在數(shù)據(jù)分析中可以明顯影響這些參數(shù)的中心值,并給以了比較好的限制,比如對(duì)有效中微子代數(shù)Ⅳeff來(lái)說(shuō)就是這樣。自從對(duì)Ia型超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹以來(lái),暗能量這個(gè)可能是驅(qū)動(dòng)宇宙作加速膨脹的神秘的成份,一直就是當(dāng)代宇宙學(xué)的熱點(diǎn)話題。對(duì)暗能量的物理本質(zhì)有各種各樣的假設(shè),比如真空能,各種標(biāo)量場(chǎng)等等,但這些關(guān)于暗能量的物理解釋中還沒有一個(gè)有絕對(duì)的說(shuō)服力。所以利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)化的暗能量模型的限制就顯得很重要。對(duì)暗能量來(lái)說(shuō),狀態(tài)方程(EoS)是描述它自身性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù),它決定了暗能量密度的演化規(guī)律。所以,我們采用了最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)暗能量狀態(tài)方程進(jìn)行了研究：我們利用了來(lái)自Planck的CMB角功率譜數(shù)據(jù),Pan-STARRS超新星樣本以及BAO的觀測(cè)數(shù)據(jù),并采用了三種不同的暗能量狀態(tài)方程的參數(shù)化方法：常數(shù)狀態(tài)方程w,隨時(shí)間演化的2-參數(shù)形式的狀態(tài)方程(w(a)=w0+wa(1-a)),分bin的分段常數(shù)暗能量狀態(tài)方程(bin-w).對(duì)bin-w的結(jié)果,我們還進(jìn)行了主成分分析(PCA)來(lái)使得我們得到的EoS結(jié)果更加物理。結(jié)果顯示,對(duì)于前兩種參數(shù)化,擬合得到的狀態(tài)方程分別在2σ和1σ的置信水平仍然是和ACDM自洽的；對(duì)于分bin的參數(shù)化,整體擬合的結(jié)果與ACDM符合的很好,但PCA處理得到的結(jié)果顯示了EoS在某些紅移bin上對(duì)伽=-1的輕微偏離。考慮到許多bin上的誤差仍然比較大,故我們需要更多的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P159

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本文編號(hào)：2732579