宇宙距离对偶关系的天文学检验

发布时间：2020-05-07 05:08

【摘要】：宇宙学中最具挑战性的问题之一是理解晚期宇宙加速膨胀背后的物理机制。现在已经有许多的观测被用于探测这种正加速度背后的机制,如高红移Ia型超新星(SNeIa),宇宙微波背景辐射(CMB),星系团,重子声波振荡(BAO)等。这些工具基于一个基本假设,即光子总数在宇宙尺度上是守恒的。这是宇宙距离对偶(cosmic distance duality,CDD)关系DL/DA(1+z)2=1成立的关键假设之一,这个关系只与光度距离DL和角直径距离DA以及此处的红移值有关。这个等式又被称为艾丁顿(Etherington relation)关系,是艾丁顿于1933年提出的。CDD关系是表征在尺度因子变化的时空中两种距离的关系,对于所有基于黎曼几何的宇宙学模型都有效,在探索晚期宇宙加速膨胀时经常用到。这个关系在观测宇宙学中起着重要作用,特别是在星系观测,CMB观测和引力透镜中起着至关重要的作用。此外,CDD关系的偏离可能使度规引力理论在解释宇宙的背景动力学时失败而导致新物理学的出现,如可变的基本物理常数,轴子光子混合(axion-photon mixing)等标准模型以外的物理宇宙学理论。因此有必要精确地检验CDD关系,目前的检验中,光度距离的来源通常是通过观测到的超新星样本。而超新星样本给出的光度距离通常是与超新星的光变曲线参数相关,人们采用了诸如ACDM这样的模型得出这些光变曲线参数。由于CDD关系的成立条件,我们可以在非加速膨胀的宇宙学模型Rh＝ct宇宙模型下检测CDD关系是否成立。我们的检测中,同先前的许多工作一样,宇宙学模型隐含在SNe Ia的光度距离里面。本篇博士论文就是利用多种数据检测CDD关系在两种宇宙学模型下的有效性,以及比较模型优劣。在考虑有宇宙学不透明度的情况下,研究标准烛光的偏离通过CDD关系传导给其他的宇宙学参数对于限制宇宙学模型参数的影响。第一章,我们简要的介绍了一下宇宙学的基本知识,特别是标准宇宙学模型以及宇宙学距离的概念。第二章我们介绍了一下Rh=ct宇宙学模型以及利用五星系团角直径距离和超新星光变曲线数据来同时限制CDD关系,宇宙学参数和SNe Ia的光变曲线参数系数。我们发现在同时限制的情况下,作为自由参数的哈勃常数和作为干扰参数的绝对星等不再简并,此时CDD关系对于H0的变化很敏感。在适当的H0取值之下,CDD关系都在2σ置信水平上成立。在本次检测所用的数据中,通过两种标准信息准则判断,平坦的ACDM模型要优于Rh=ct模型。我们也给出了 CDD关系的一种与宇宙学模型独立的检测方法。第三章,我们分析了宇宙不透明度对于标准烛光限制宇宙学模型参数造成的影响,我们分析了其中的一种不透明度来源,即康普顿散射消光,讨论了这种效应对今后的超新星,GRB巡天的影响。其结果表明,依文中所用的数据,宇宙几乎是透明的,不透明度的影响不足以否定暗能量,康普顿散射消光对宇宙不透明的贡献为5%左右。在今后的巡天中,如WFIRST将观测超过2700颗超新星,需要考虑这种影响,以免造成系统误差。而对于GRB的情况,由于高能GRB光子散射截面小,康普顿散射消光效应造成的误差相对于GRB自身距离模数的系统误差要小一个数量级,所以可以忽略不计。第四章我们使用强引力透镜数据结合H(z),BAO的数据来限制宇宙学模型参数,主要考虑了平坦的和有曲率的ACDM模型,幂律宇宙模型,以及作为幂律模型的特殊情况的Rh=ct宇宙模型。我们发现平坦的ACDM模型要更受数据支持,通过加入更多的数据集,基本上排除掉了幂律宇宙学模型,但是并不能得出平坦的ACDM宇宙学模型更好的结论。第五章,是我们完成上述工作所做的一点总结以及作者对于这个研究方向的一些展望。
【图文】：

距离模数,宇宙模型,黑线,红移

Ｚ逡逑图是在平坦的宇宙模型下，采用固定的／／Ｑ邋＝邋ＴＯｋｍｄＭｐｃ－１，距离合关系为图中的黑线。下图为距离模数拟合残差与红移的函数，图中Ａｚ／ｚ？０．２４的红移区域加权平均的值。图片来自Ｂｅｔｏｕｌｅ邋ｅｔ邋ａｌ．邋（２０１４邋Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒ邋极限，例如邋ＳＮ邋２００３ｆｇ邋（Ｈｏｗｅｌｌ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２00６）。标准烛光来研究宇宙学，必须去除这一部分质量超过ＣｈａｎｄＮｅ邋ｌａ。逡逑透明度的影响。光路上的尘埃消光会使得超新星的观测光变暗，增加了观测到的光度距离。逡逑－改正。超新星的观测中，由于观测条件限制，不能同时对波段观测，需要把不同的仪器观测到的流量重新计算，换算止的参考系中的相同波段。逡逑动速度（ｐｅｃｕｌｉａｒ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ）。本动速度也对超星新的光度距离ｏｒｄｏｎ邋ｅｔ邋ａＬ（２００７）在限制暗能量状态方程ｗ时发现，采用了邋Ｎｅ邋ｌａ样本来限制的话，如果不考虑本动速度的影响，会有而按照Ｃｏｎｌｅｙ邋ｅｔ邋ａｌ．２０１１）论文方式，建议取ｏｒ：邋＝邋１５０ｋｍ

多极矩,温度涨落,角距离,功率谱

ＷＭＡＰ卫星数据对比，可以获的暗能量的组分大小以及状态方程。它是一个逡逑能够较为准确地定出暗能Ｗ组分参数的Ｍ足eA后散射截而的视界角度标尺，；ｉｔ逡逑倍总包含ＣＭＢ的温度扰动谱／厂的第一个峰的位竹见图１－４。通过测后散逡逑射截面ｆ和从ＣＭＢ的物理原理中计算共动声速视界／？．、彳‘）。ＣＭＢ最后散逡逑射截面的共动角直径距离为：逡逑Ｄｃ｛ｚｄｅｃ）邋＝逦（１－５３）逡逑＂０逡逑其中就是ＣＭＢ的平移参数，，定义为：逡逑Ｒ邋＝逦ｒ邋ｄｚ＾逦（１－５４）逡逑Ｊｏ邋Ｅ（ｚ）逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P159

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