暗能量观测检验若干问题的研究

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宇宙加速膨胀自从被发现以来一直是现代宇宙学中最大的谜团之一。如果广义相对论在宇宙中的所有尺度上都正确,则需引入暗能量来解释加速膨胀。随着Ⅰa型超新星(SN)、宇宙微波背景辐射(CMB)、重子声学振荡(BAO)、哈勃常数H0直接测量等天文观测数据的精度不断提高,人们已经进入精确宇宙学时代,宇宙中的几何测量和物质能量组分的测定都达到了前所未有的精度。然而,暗能量的本质对我们来说还是个谜。因此,联合使用不同的观测数据来精确限制暗能量的状态方程是非常重要的。本文从以下三个方面研究暗能量观测检验的问题:(ⅰ)作为当前天文观测方法的重要补充,未来的红移漂移观测方法对暗能量模型参数限制可能产生的影响;(ⅱ)对已有的Ⅰa型超新星观测方法的系统误差问题的探讨;(ⅲ)作为标准ACDM模型的拓展,我们研究更多参数的宇宙学模型,如考虑了暗能量状态方程ω、张量-标量比r、中微子和暗辐射相关参数的暗能量模型。在研究中,我们联合使用各种天文观测数据对暗能量模型进行观测限制。红移漂移观测(即Sandage-Loeb检验,以下简称SL检验)直接测量遥远类星体Lyman-α吸收线的红移漂移。该方法直接测量所谓的“红移沙漠”(2(?)z(?)5)区间内的宇宙膨胀,因此是其他天文观测方法限制暗能量模型参数的重要补充。本文研究了像CODEX这样的光谱仪探测到的SL检验信号对限制宇宙学模型参数的影响。利用红移漂移观测分析了一系列典型的暗能量模型,包括ACDM,ωCDM,ω0ωaCDM,四种典型的相互作用暗能量模型,以及两种典型的f(T)模型。为了保证模拟产生的SL检验数据与其他观测数据相一致,针对所分析的不同模型,首先利用当前观测数据限制其最佳拟合,并以该最佳拟合模型作为基准模型,来生成30个SL检验数据。我们分别研究了红移漂移观测对当前和未来实验数据限制各模型参数的影响。结果显示,红移漂移观测能够很好地打破其他天文观测方法中存在的参数简并,因此是其他天文观测方法的有效的、不可或缺的补充。对于本部分讨论的所有模型,红移漂移观测都能够很好地打破当前数据中存在的当前物质密度Ω和H0之间的强简并,从而极大地提高了Ωm 和H0的限制精度。但是对暗能量状态方程ω,相互作用参数γ,以及各f(T)模型的模型参数的限制结果的影响较小。此外,红移漂移观测在未来几何测量方法限制暗能量模型中也将起到举足轻重的作用,特别是能有效地提高ΩmH0,ω和7的精度。我们可以得出结论,未来的红移漂移观测数据能够有效地提高各宇宙学模型的参数限制精度,且这一结论与宇宙学背景模型的选取无关。可见,在未来的宇宙学参数限制中,联合使用红移漂移观测数据是非常重要的。已有研究表明,Ⅰa型超新星的颜色-光度参数β很可能是随红移演化的,这有可能是超新星观测系统误差的重要来源之一。本工作中,我们研究了演化的β对限制全息暗能量模型、wCDM模型以及三种相互作用暗能量模型参数的影响。结果显示,在所有模型中,β在很高的置信度范围内都是随红移演化的。演化的β能够明显改变各模型参数的限制结果。相对于考虑β为常数或者随红移演化对模型参数限制带来的影响,不同的光变曲线校准方法对参数估计的影响要小得多。此外,在相互作用暗能量模型中,β的演化行为对相互作用具体形式不敏感。因此,演化的β能够明显改变各模型参数限制结果,这一结论与宇宙学背景模型的选取无关。在宇宙学参数限制中考虑β演化也是极其重要的。BICEP2研究组于2014年宣布观测到CMB的B模式偏振,这一发现表明标准模型中应该增加张量-标量比r。另一方面,中微子振荡实验表明中微子有非零质量,因此用宇宙学观测数据对中微子的质量进行限制也是非常有意义的。本工作将ACDM+r+中微子/暗辐射模型,从宇宙学常数模型拓展到ω为常数的动力学暗能量模型,并对模型中活性中微子总质量∑mv,相对论粒子有效种类数Neff,以及惰性中微子质量mv,sterile eff进行了参数限制。共考虑以下四个模型:ωCDM+r+∑mv模型,ωCDM+r+Neff 模型,ωCDM+r+∑mv+Neff 模型,以及ωCDM+r+Neff+mv,sterile eff 模型。采用的观测数据有 Planck+WP,BAO,H0 Planck SZ cluster,Planck CMB lensing,cosmic shear,以及 BICEP2 数据。我们首先检验了四个模型中各数据的一致性。对于ωCDM+r+∑mv模型来说,CMB+BAO数据与BICEP2数据以外的其他观测数据基本一致。对于ωCDM+r+Neff模型来说,考虑暗能量参数ω也不能很好地缓解Planck数据与SZ星系团计数及BICEP2 之间的紧张。wCDM+r+∑mv+Neff 模型和 ωCDM+r+Neff+mv,sterile eff 模型都能有效缓解Planck与其他所有天文观测之间的紧张。但是ωCDM+r+∑mv+Neff 模型要假设有质量活性中微子与暗辐射同时存在,因此我们认为惰性中微子模型更加自然。接着,我们用内部一致的数据对各模型的参数进行了限制,重点关注参数ω,∑mv,Neff,以及mv,sterile eff的限制结果。结果显示,中微子质量比Neff对限制结果影响大得多。
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