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[ΛCDM:成功,疑惑和改进]

(本文为Astroleaks试稿第五篇,感谢中国科技大学侯磊同学的投稿;本文为会议受邀综述报告,内容相当精炼,可能需要一定的宇宙基础,我们尽量添加了背景知识的链接,考虑到宇宙学是许多同学的共同兴趣,我们希望能用此文作为一个索引式开始吧;希望大家多提意见)

题目:ΛCDM: Triumphs, Puzzles and Remedies
作者:L. Perivolaropoulos
论文索引: astro-ph:1104.0539
整理供稿:侯磊(中国科学技术大学)


标准宇宙学模型:

由于进二十年来观测手段的提高,使宇宙学进入了精确宇宙学的阶段,大量精确的观测事实使得我们可以对宇宙学模型作出具体的约束。


Para

Fig.1: 不同的宇宙学观测中给出的Preferred Axes的方向

当前的标准宇宙学模型是ΛCDM模型,主要包括以下假设:

  • 1、宇宙学原理:宇宙在大尺度上(大于几百个Mpc)是均匀且各向同性的;
  • 2、宇宙的宏观动力学是由广义相对论描述的;
  • 3、组成宇宙的成分有辐射、物质(包括暗物质重子轻子)和暗能量,可能还有引力波;
  • 4、宇宙的原初涨落是由真空量子涨落产生的,并在引力作用下形成各种结构;
  • 5、暗能量来自于宇宙学常数Λ,其能量密度不随宇宙膨胀而变化;
  • 6、宇宙中大部分物质是暗物质,而且主要是冷暗物质(cold dark matter,CDM),暗物质参加引力相互作用,也可能参加弱相互作用,但不参加电磁相互作用
  • ΛCDM模型的几何学检验主要有:

  • 1、Ia型超新星(SN Ia)观测,证实了宇宙在加速膨胀,并认为这种加速膨胀是由暗能量驱动的;
  • 2、宇宙微波背景辐射(CMB)涨落的角功率谱中第一个峰的位置,该峰产生于最后散射层的声波震荡,由此推断出宇宙的曲率大致为0;
  • 3、密度功率谱的重子声波震荡(baryon acoustic oscillations,BAO),同样能给出对于宇宙学参数的限定;
  • ΛCDM模型的动力学检验主要有:

  • 1、X射线星系团增长的数据;
  • 2、莱曼α线丛(Ly-α forest)的功率谱;
  • 3、红移畸变效应 (参见文后的延伸阅读);
  • 4、弱引力透镜

  • Prefer

    Fig.2: 图一中给出的Preferred Axes的方向的对应空间坐标。

    ΛCDM模型对于上述观测结果都给出了相当漂亮的解释,让我们有理由相信,ΛCDM模型确实反映了宇宙的真实本质。但是,ΛCDM模型对观测的解释并非完美无缺,下面就是对ΛCDM模型给出挑战的一些观测结果:

  • 1、大尺度速度流 ( Bulk Flow, 见延伸阅读 ):ΛCDM模型预测宇宙物质流动的速度大小和尺度都应该很小。但是,最近的研究结果发现,在高达 100/h Mpc的尺度上存在大于400 km/s 的定向速度流,这样大尺度大速度的速度流符合ΛCDM模型的可能性只有1%;
  • 2、CMB四极矩和八极矩 ( 参见CMB的wiki词条及延伸阅读 ) 平面的法向和二极矩的方向垂直,这与宇宙高斯场的预测不符合的可能性有99.7%;
  • 3、类星体光学偏振的观测 ( 见延伸阅读 ) 也发现了偏振矢量有一个特定方向,这与方向随机分布的预测不符合的可能性有99.9%;
  • 4、星系团晕(Halo)的聚集度比ΛCDM模型给出的预测要高;
  • 5、CMB功率谱中低l多极矩的缺失,也就是角尺度大于60度时相关函数消失。
  • 上面前三个结果都是宇宙存在特定方向的问题,尤其有趣的是,这些方向大体上比较接近,大致垂直于黄极(黄道坐标系的极点),接近于黄道面和二分点。而对于SN Ia的观测发现宇宙最大加速膨胀的方向与上述“preffered axes”方向也比较接近。上表和下图给出了不同宇宙学观测给出的“preffered axes”。这些方向之间相互独立的概率小于1%。

    有人把“preffered axes”现象解释为我们尚未察觉的系统性实验误差,但大部分人是从物理上的各向异性来解释:

  • 1、矢量场的存在导致暗能量物态方程的各向异性;
  • 2、暗能量和(或者)暗物质在视界大小的尺度上的涨落;
  • 3、湍流结构的影响;
  • 4、各向异性宇宙膨胀;
  • 5、原初涨落的各向异性;
  • 6、大尺度原初磁场的影响。
  • 上述“preffered axes”的观测结果对于任何对宇宙学感兴趣的人都有强烈的吸引力,因为这种现象可能对我们现在的宇宙学图像提出挑战,甚至是对最本质的宇宙学原理提出质疑。我们需要进行更多观测和理论上的工作来确认和解释这种现象。如果我们能最终得出结论,或许是宇宙学甚至是物理学的一个重大突破。

    延伸阅读:

  • 1. J.Peebles关于标准宇宙模型的综述
  • 2. Ned Wright关于宇宙学的教学网站(推荐)
  • 3. Wayne Hu关于宇宙微波背景辐射的极好的介绍网站
  • 4. 关于宇宙学尺度上的Bulk Flow的介绍工作
  • 5. 利用类星体光学偏振观测得到大尺度相关方向的工作
  • 6. 关于宇宙原初磁场的工作
  • 7. 关于线性红移畸变的综述
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    blog for Chinese astronomy and astrophysics students to share their interest, idea and experience.

    讨论

    8 thoughts on “[ΛCDM:成功,疑惑和改进]

    1. 对于原文,

      照他这样写,LanCDM的假设、解释得了的、解释不好的,岂不是数目上都差不多。 那些所谓的假设,其实是理论的构成,条与条之间也基本不是并列关系。

      那个preferred axes统计上其实并没那么显著。只说“可能性百分之多少”挺误导人的…

      那些动力学检验,同时也都是几何学检验,因为也都依赖于宇宙学距离的。

      翻译和延伸阅读都很不错,赞

      Posted by bird | 四月 18, 2011, 9:13 下午
    2. 必须赞扬侯师兄!
      热统期中刚考完,可以静下心看几天文章写几天代码了.

      Posted by shiaki | 四月 18, 2011, 7:36 下午
    3. 文章编辑的很不错啊,在我投搞的基础上加了很多链接和延伸阅读,尤其是一些国外大学的教学网站。看得出光头和傻狼在站点维护上下足了功夫,赞一个。

      Posted by 2mblping | 四月 18, 2011, 1:43 下午
    4. 特来围观侯哥的大作!发狠踩丫的,哈哈~

      Posted by astroski | 四月 18, 2011, 10:52 上午
    5. 赞!毕业论文正在做和这个相关的东西,挺有帮助的。

      Posted by yimingleon | 四月 18, 2011, 9:33 上午

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