精确宇宙学

高精度微波背景观测,加之大尺度结构,超新星等观测的快速发展,引领宇宙学进入精确宇宙学时代.我们对于宇宙的理解不再停留在定性描述阶段,而是进入了高精度定量测量阶段.本文将对重要宇宙学观测给出介绍,并对研究现状,及未来挑战等给出讨论.     

“大爆炸宇宙学”批评

大爆炸宇宙创生理论是以天文学家Hubble的观测为基础的,他声称已发现那些遥远的天体正远离我们而去。此即Hubble氏的宇宙扩张理论。但该理论的证据并不充分,是主观想像。宇宙爆炸理论的另一重要证据是微波背景辐射的测量数据,但它并不表示微波背景辐射温度数据一定是一次爆炸后的结果。把它看成一次原初大爆炸的余烬是勉强的。按照宇宙的定义,人们无法谈论“宇宙寿命”,只可能谈论诸如“地球的寿命”、“太阳系的寿命”和“星系的寿命”。因此我们反对不靠谱的大爆炸宇宙学,因该理论体系漏洞百出,在科学上和在哲学上均不能成立。
　　虽然宇宙中看来充满难于解释的力,暗物质和暗能量仍然只是两个假设。另一个假说是存在引力波,但也只是估计,实际情况可能不同。在Newton理论中引力速度是无限大,但在Einstein理论中引力传播速度和引力波波速都是光速c。广义相对论( GR)认为引力与电磁力不同,是弯曲时空的纯几何效应。但现在应思索某些不同的引力模型,例如把引力重新当作平直时空中的自然界的力的传播,从而又研究得出引力速度大于2×1010 c( c是真空中光速)。虽然超光速的引力传播违反Einstein的狭义相对论( SR),却符合Lorentz的相对性理论( LR)。
　　在美国,一个宇宙学家团队在2014年3月的一次新闻发布会上宣布,他们探测到了宇宙大爆炸之后最初瞬间所产生的引力波,从而导致宇宙的起源再次成为重大新闻。根据BICEP2南极望远镜团队的信息,其结果被誉为大爆炸暴涨理论及其后续理论(多元宇宙)的证明。该成果问鼎Nobel奖也在预测之中。 BICEP2团队在其宇宙微波背景辐射极化图像中,确定了一个扭曲( B模式)图案,绪论是检测到原始的引力波。但在后来数月中,由来自Prin-ceton大学和也在Princeton高等研究所的科学家们进行了认真的重新分析,其结论是BICEP2的B模式模型给出的大部分或全部最显著效应没有来自引力波的任何贡献。这种突然逆转应该让科学界认真考虑未来的宇宙学实验和理论。 BICEP2事件也揭示了一个关于暴涨理论的真相;很清楚,暴涨范式是根本无法检验的,并因此在科学上是毫无意义的。     

暗能量理论研究现状概述

近年来的大量天文观测表明,我们的宇宙正在经历加速膨胀,为此,暗能量已经成为现代宇宙学研究的最活跃领域之一.对暗能量理论方面的研究现状作了一个简要的概述.     

径向重子声学振荡测量和观测哈勃 参量数据的宇宙学限制

使用径向重子声学振荡(RBAO)测量遥远的Ia型超新星(SNe Ia)、观测哈勃参量数据(OHD)和宇宙微波背景(CMB)位移参数数据来限制ΛCDM和XCDM宇宙的宇宙学参量,进一步检查了OHD和SNe Ia数据对宇宙学的约束作用.我们对似然函数的归化哈勃参数h进行了边缘化,即积分概率密度P∝e-Χ2/2,以在Ωm-ΩΛ平面获得最佳的拟合结果和置信区域.依据ΛCDM和XCDM模型的组合分析,我们发现在置信区域为68.3%、95.4%和99.7%的置信水平上,OHD+RBAO+CMB数据和SNe Ia+RBAO+CMB数据符合得很好.随着越来越多的OHD数据的获得,我们或许在将来可以使用OHD数据代替SNe Ia数据来限制宇宙学参量.     

观测数据对暗能量状态参数的限制

状态方程是表征暗能量本质的一个重要物理量,而用观测数据拟合它是了解暗能量的重要手段之一。利用新公布的Ia型超新星数据,重子声学振荡（BAO）观测和Wilkinson微波背景各项异性探测卫星（WMAP）公布的5年数据限制CPL和JBP 2种参数化模型,并重构暗能量状态方程w(z)。结果表明,与过去的工作相比,新的观测结果对w(z)的限制有一点改进,但仍与宇宙学常数模型相一致。     

总星系中“暗质量”形成和分布的基本规律及与“真空背景微波辐射”、“宇宙常数”的因果关联

本文应用相对论性牛顿万有引力定律和非黎曼几何的传统力学分析方法,定量导出和证明了总星系中场"暗质量""、暗能量"的形成、演化和各向同性均匀分布的基本规律,得到了场"暗质量"密度"、暗能量"密度理论值;定量导出了总星系中场"暗质量"密度"、暗能量"密度与"真空背景微波辐射""、宇宙常数"的因果关联,求得了真空背景微波辐射温度和宇宙常数理论值,所得系列理论结果,与已有观测事实极相吻合.     

S-Z效应的宇宙学研究

综述了S－Z效应的一些基本问题，包括S－Z效应的基本理论和观测技术，在宇宙学方面的应用和最新结果，以及将来的研究前景。     

基于时间依赖暗能量模型求解光度距离的积分算法

利用熟知的2种有效的积分算法——龙贝积分算法和复合高斯积分算法,用来在Chevallier-Polarski-Linder(CPL)参数化模型里计算光度距离dCPLL.通过对比2种算法的效率和精度,我们认为第2种算法更有前景.另外,还在扁平的ΛCDM宇宙模型里,开发了能够逼近dΛL的另外一种策略.在一定程度上,我们的方法有助于在近期的暗能量宇宙学研究中,所涉及的数值模拟工作.     

微波背景观测与早期宇宙研究

微波背景观测与早期宇宙研究尚处于学科发展的初期阶段,对探测方法、背景(前景)处理、系统误差及结果可靠性的认识都有待深入.发现微波探测卫星WMAP公布的宇宙微波背景辐射温度图存在严重的系统误差后,几年来我们重新进行了数据分析,修正了时钟同步、天线旁瓣误差导致的伪偶极信号,得到的背景辐射温度图和功率谱与WMAP发布的结果有重大差异,引起了广泛关注,讨论和争论.本文概述有关工作及论争的过程与现状,及其对于早期宇宙研究的影响.     

暗能量与暗物质相互耦合的观测限制

暗能量是一种引起宇宙加速彭胀的排斥力,探索暗能量的性质是目前天文学和理论物理领域中最突出的问题之一。提供选取暗能量状态参数为常量和变量（随红移变化）的2种模型,并考虑在模型中加入一种被广泛采用的暗能量耦合形式Q=3αHρm进行数值模拟讨论。应用最新的观测数据对耦合模型的相关参数进行限制,得到了暗因子耦合强度的上限。对常量和变量耦合模型,〖JP3〗在1σ,2σ和3σ置信度内,代表耦合强度的参数分别为α≤0.017 6(0.022 5)(0.027 3)〖JP〗和α≤0.020 6(0.027 8)(0.034 5)。研究表明,这2种模型可给出与目前的观测结果相一致的参数范围。     

Inconsistency between WMAP data and released map

A remarkable inconsistency between the calibrated differential time-ordered data (TOD) of the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) mission,which is the input for map-making,and the cosmic microwave background (CMB) temperature maps published by the WMAP team is revealed,indicating that there must exist a serious problem in the map making routine of the WMAP team.This inconsistency is easy to be confirmed without the use of WMAP map-making software.In view of the importance of this issue for cosmology...     

Pseudo-dipole signal removal from WMAP data

We have discovered in our previous work that different observational systematics, e.g. errors from antenna pointing directions or an asynchronism between the attitude and science data may generate a pseudo-dipole signal in the full-sky maps of the cosmic microwave background (CMB) anisotropy that have been published by the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) team. We have found that the antenna sidelobe response to the Doppler signal produces a similar effect. In this work, independent from the sources, we have uniformly modeled the pseudo-dipole signal and have removed it from the published WMAP7 CMB maps by model fitting. The result demonstrates that the released WMAP CMB quadrupole is almost completely artificial.     

暗物质的天文学探测

 暗物质和暗能量是宇宙主要的组成部分,被认为是"笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云",是基础物理与宇宙学研究最前沿的方向之一。对暗物质突破性的研究进展将极大促进人们对基本自然规律以及宇宙演化的理解。国际上对暗物质的研究极为重视,美国和欧洲都为之进行了详细周密的规划,开展了一系列的相关项目规划。中国也将暗物质的研究纳入了中长期规划,在过去的几年中国在暗物质探测方面实现了长足进步,在四川锦屏山地下实验室开展多项暗物质直接探测试验,暗物质粒子卫星作为中国空间科学先导专项的首发星,也是中国发射的第1颗天文卫星,2015年12月成功发射。通过观测暗物质粒子湮灭后的粒子产物,有可能在间接探测方向实现对暗物质研究的革命性突破。本文简介暗物质概念提出的历史与暗物质探测的天文学观测手段。     

暗能量与暗物质相互耦合的观测限制

暗能量是一种引起宇宙加速彭胀的排斥力,探索暗能量的性质是目前天文学和理论物理领域中最突出的问题之一。提供选取暗能量状态参数为常量和变量(随红移变化)的2种模型,并考虑在模型中加入一种被广泛采用的暗能量耦合形式Q=3αHρm进行数值模拟讨论。应用最新的观测数据对耦合模型的相关参数进行限制,得到了暗因子耦合强度的上限。对常量和变量耦合模型,在1σ,2σ和3σ置信度内,代表耦合强度的参数分别为α≤0.0176(0.0225)(0.0273)和α≤0.0206(0.0278)(0.0345)。研究表明,这2种模型可给出与目前的观测结果相一致的参数范围。