ΛCDM模型

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一张表示宇宙间不同物质能量成分的饼图,大约有96%的能量来自奇异的暗物质暗能量

ΛCDM模型(英文:ΛCDM ModelLambda-CDM Model)是所谓Λ-冷暗物质Cold Dark Matter模型的简称。它在大爆炸宇宙学中经常被称作索引模型,这是因为它尝试解释了对宇宙微波背景辐射宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀的超新星观测。它是当前能够对这些现象提供融洽合理解释的最简单模型。

  • Λ意为宇宙学常数,是解释当前宇宙观测到的加速膨胀的暗能量项。宇宙学常数经常用\Omega_\Lambda\,表示,含义是当前宇宙中暗能量相对于一个平直时空的宇宙的能量所占的比例。现在认为这个数值约为0.74,即宇宙中有74%左右的能量是暗能量的形式。
  • 冷暗物质是一种暗物质模型,即它认为在宇宙早期辐射与物质的能量分布相当时暗物质的速度是非相对论性的(远小于光速),因此暗物质是冷的;同时它们是非重子构成的;不会发生碰撞(指暗物质的粒子不会与其他物质粒子发生引力以外的基本相互作用)或能量损耗(指暗物质不会以光子的形式辐射能量)的。冷暗物质占了当前宇宙能量密度的22%。剩余的4%的能量构成了宇宙中所有的由重子(以及光子等规范玻色子)构成的物质:行星恒星以及气体云等。
  • 模型假设了具有接近尺度不变的能量谱的太初微扰,以及一个空间曲率为零的宇宙。它同时假设了宇宙没有可观测的拓扑,从而宇宙实际要比可观测的粒子视界要大很多。这些都是宇宙暴脹理論的预言。
  • 模型采用了弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规弗里德曼方程宇宙的状态方程来描述从暴脹时期之后至今以及未来的宇宙。

在宇宙学中,这些是能够构建一个自洽的物理宇宙模型的最简单的假设。而ΛCDM模型终归只是一个模型,宇宙学家们预计在对相关的基础物理了解更多之后,这些简单的假设都有可能被证明并不完全准确。具体而言,暴脹理论预言宇宙的空间曲率在10-5到10-4的量级。另外也很难相信暗物质的温度是绝对零度。ΛCDM模型也并没有在基础物理层面上解释暗物质、暗能量以及具有接近尺度不变的能量谱的太初微扰的起源:从这个意义上说,它仅仅是一个有用的参数化形式。

参数[编辑]

模型含有六个基本参数。

  • 哈勃常数——决定宇宙的膨胀速率,以及宇宙闭合所需的临界密度\rho_0\,
  • 重子的密度、暗物质的密度和暗能量的密度,它们都归一到临界密度,即如\Omega_b = \rho_b/\rho_0\,。由于模型假设空间是平直的,三者的密度之和等于临界密度,从而暗能量的密度并不是一个独立参数。
  • 光深度——决定宇宙再电离红移
  • 密度涨落的信息由太初微扰的涨落振幅(源自宇宙暴脹)和能谱指数共同决定,其中能谱指数n_s\,表征涨落如何随尺度变化(n_s = 1\,表示尺度不变的能谱)。

模型中包含的误差分析显示,实际的真实值有68%的置信概率落到测量结果的上下限之间。误差并不是高斯分布的,它们是通过对威尔金森微波各向异性探测器的数据以蒙特卡罗马尔可夫链方法进行误差分析得出的,其中也使用了斯隆数字巡天Ia型超新星的观测数据。

参数 数值 描述
基本参数
H0 73.2^{+3.1}_{-3.2} km s-1 Mpc-1 哈勃常数
Ωb 0.0444^{+0.0042}_{-0.0035} 重子密度
Ωm 0.266^{+0.025}_{-0.040} 总物质密度(重子+暗物质)
τ 0.079^{+0.029}_{-0.032} 宇宙再电离所需的光深度
As 0.813^{+0.042}_{-0.052} 尺度涨落振幅
ns 0.948^{+0.015}_{-0.018} 尺度能谱指数
导出参数
ρ0 0.94^{+0.06}_{-0.09}\times10^{-26} kg/m3 临界密度
ΩΛ 0.732^{+0.040}_{-0.025} 暗能量密度
zion 10.5^{+2.6}_{-2.9} 再电离红移
σ8 0.772^{+0.036}_{-0.048} 星系涨落指数
t0 13.73^{+0.13}_{-0.17}\times10^9y 宇宙的年龄

扩展模型[编辑]

由最简单的ΛCDM模型可以进一步扩展为其他模型,例如可以用第五元素替代宇宙常数项,在这种情况下暗能量的状态方程可以为-1以外的其他值。宇宙暴脹预言了时空度规张量的涨落(即引力波),它们的振幅可由张量标量比(tensor-to-scalar ratio)参数化,而后者由暴脹的能量尺度决定。其他对模型的修正包括允许空间曲率的存在或随时间变化的能谱指数,这些在一般观点看来都是和暴脹理论相违背的。

允许引入这些参数通常都会增加上述基本参数的测量误差,并在某种程度上使测量值产生偏移。

参数 数值 描述
w -0.926^{+0.051}_{-0.075} 状态方程
r <0.55 (2σ) 张量标量比
Ωk -0.010^{+0.014}_{-0.012} 空间曲率
α -0.102^{+0.050}_{-0.043} 能谱指数的变化
\Sigma m_\nu <0.87 eV (2σ) 中微子质量总和

这些参数与一个具有参数\omega = -1\,的宇宙的状态方程、以及一个空间曲率为零的情形相洽。

参考文献[编辑]