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ΛCDM模型

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一張表示宇宙間不同物質能量成分的餅圖,大約有96%的能量來自奇異的暗物質暗能量
ΛCDM模型,加速擴張的宇宙

ΛCDM模型英語ΛCDM ModelLambda-CDM Model)是所謂Λ-冷暗物質Cold Dark Matter模型的簡稱。它在大爆炸宇宙學中經常被稱作索引模型,這是因為它嘗試解釋了對宇宙微波背景輻射宇宙大尺度結構以及宇宙加速膨脹的超新星觀測。它是當前能夠對這些現象提供融洽合理解釋的最簡單模型。

  • Λ意為宇宙學常數,是解釋當前宇宙觀測到的加速膨脹的暗能量項。宇宙學常數經常用表示,含義是當前宇宙中暗能量相對於一個平直時空的宇宙的能量所佔的比例。現在認為這個數值約為0.74,即宇宙中有74%左右的能量是暗能量的形式。
  • 冷暗物質是一種暗物質模型,即它認為在宇宙早期輻射與物質的能量分佈相當時暗物質的速度是非相對論性的(遠小於光速),因此暗物質是冷的;同時它們是非重子構成的;不會發生碰撞(指暗物質的粒子不會與其他物質體子發生重力以外的基本相互作用)或能量損耗(指暗物質不會以光子的形式輻射能量)的。冷暗物質佔了當前宇宙能量密度的22%。剩餘的4%的能量構成了宇宙中所有的由重子(以及光子等規範玻色子)構成的物質:行星恆星以及氣體雲等。
  • 模型假設了具有接近尺度不變的能量譜的太初微擾,以及一個空間曲率為零的宇宙。它同時假設了宇宙沒有可觀測的拓撲,從而宇宙實際要比可觀測的粒子視界要大很多。這些都是宇宙暴脹理論的預言。
  • 模型採用了弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規弗里德曼方程式宇宙的狀態方程式來描述從暴脹時期之後至今以及未來的宇宙。

在宇宙學中,這些是能夠構建一個自洽的物理宇宙模型的最簡單的假設。而ΛCDM模型終歸只是一個模型,宇宙學家們預計在對相關的基礎物理了解更多之後,這些簡單的假設都有可能被證明並不完全準確。具體而言,暴脹理論預言宇宙的空間曲率在10-5到10-4的量級。另外也很難相信暗物質的溫度是絕對零度。ΛCDM模型也並沒有在基礎物理層面上解釋暗物質、暗能量以及具有接近尺度不變的能量譜的太初微擾的起源:從這個意義上說,它僅僅是一個有用的參數化形式。

參數[編輯]

模型含有六個基本參數。

  • 哈伯;常數——決定宇宙的膨脹速率,以及宇宙閉合所需的臨界密度
  • 重子的密度、暗物質的密度和暗能量的密度,它們都歸一到臨界密度,即如。由於模型假設空間是平直的,三者的密度之和等於臨界密度,從而暗能量的密度並不是一個獨立參數。
  • 光深度——決定宇宙再電離紅移
  • 密度漲落的資訊由太初微擾的漲落振幅(源自宇宙暴脹)和能譜指數共同決定,其中能譜指數表徵漲落如何隨尺度變化(表示尺度不變的能譜)。

模型中包含的誤差分析顯示,實際的真實值有68%的置信機率落到測量結果的上下限之間。誤差並不是非高斯分佈的,它們是通過對威爾金森微波各向異性探測器的數據以蒙特卡羅馬爾可夫鏈方法進行誤差分析得出的,其中也使用了史隆數位巡天Ia型超新星的觀測數據。

參數 數值 描述
基本參數
Ωb 重子密度
Ωc 暗物質密度
t0 y 宇宙的年齡
ns 尺度能譜指數
尺度漲落振幅,
k0 = 0.002 Mpc-1
τ 宇宙再電離所需的光深度
固定參數
Ωtot 空間曲率
w 狀態方程式
r 張量純量比
d ns / d ln k 能譜指數的變化
Σmν eV/c2 微中子質量總和
Neff 有效的自由相對論度數
導出參數
H0 km s-1 Mpc-1 哈伯;常數
Ωm 總物質密度(重子+暗物質)
ΩΛ 暗能量密度
ρcrit kg/m3 臨界密度
σ8 星系漲落指數
在平均8h-1 Mpc半徑的球形上
zre 再電離紅移

擴展模型[編輯]

由最簡單的ΛCDM模型可以進一步擴展為其他模型,例如可以用第五元素替代宇宙常數項,在這種情況下暗能量的狀態方程式可以為-1以外的其他值。宇宙暴脹預言了時空度規張量的漲落(即重力波),它們的振幅可由張量純量比(tensor-to-scalar ratio)參數化,而後者由暴脹的能量尺度決定。其他對模型的修正包括允許空間曲率的存在或隨時間變化的能譜指數,這些在一般觀點看來都是和暴脹理論相違背的。

允許引入這些參數通常都會增加上述基本參數的測量誤差,並在某種程度上使測量值產生偏移。

參數 數值 描述
空間曲率
狀態方程式
, k0 = 0.002 Mpc-1 (2σ) 張量純量比
, k0 = 0.002 Mpc-1 能譜指數的變化
eV/c2 (2σ) 微中子質量總和
物理微中子密度參數

這些參數與一個具有參數的宇宙的狀態方程式、以及一個空間曲率為零的情形相洽。

參考文獻[編輯]