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含宇宙常数的冷暗物质模型

2020-07-08  本文已影响0人  以宇宙为家_周宇恒

当代宇宙学中有一模型获得了相对广泛的认可,即基于大爆炸宇宙学的ΛCDM模型(含宇宙常数的冷暗物质模型)。该模型认为宇宙中除了由质子、中子构成的普通重子物质外,还存在大量冷暗物质,即CDM (cold dark matter);而且存在一个与暗能量相关的宇宙常数,以Λ (Lamdba)表示。

根据ΛCDM模型,我们可以这样理解宇宙的早期演化:鸿蒙初辟之时,宇宙是一团极其炽热、致密的等离子体,其中光子与物质相互耦合,并且几乎均匀分布。不过这团原初等离子体中存在少数密度起伏,后者是由真空中的量子涨落导致的。原初引力势(标量场)涨落的波幅,在所有尺度上几乎相同。这种小范围的扰动以声波的形式在等离子体中不断碰撞传播。冷暗物质虽不参与这种压力振荡,但能产生引力作用。

嗣后随着这团等离子体膨胀、冷却,重子与电子终于能够稳定地结合以形成原子,彼时的原子基本以中性氢的形式存在。在这一过程中,光子(或说电磁辐射)与重子(或说物质)发生了解耦,于是上述扰动便不再以声波的形式传播。宇宙的密度模式就此固定了下来。不过,通过观测各项异性的宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background radiation)与重子声学振荡(baryon acoustic oscillations),我们今日仍能窥见彼时宇宙中的密度波动留下的印记。

光子退耦之后的宇宙大体上是电中性的,而且难以通过绝大多数形式的电磁辐射观测到,因此这一阶段被称为宇宙的黑暗时期(Dark Ages),大约开始于大爆炸后的第37万-38万年(红移值z≈1089)。在黑暗时期中,宇宙的温度大致从4000开尔文降到了60开尔文,物质开始在宇宙中密度较高的区域发生坍缩,冷暗物质逐渐呈晕轮状环绕重子物质。

之后,第一代恒星(星族III恒星)开始诞生,其释放的电磁辐射“照亮”了宇宙。也正是这些辐射对已失去电性的星际介质重新进行了电离,使宇宙在大爆炸后的第1.5亿年左右进入了再电离(reionization)阶段。而最早的星系大约是在大爆炸后的第3.8亿至第7亿年间形成的,不过第10亿年时宇宙的黑暗时期才彻底结束。冷暗物质环绕在诸星系周围,在整个宇宙中广泛散布。

宇宙中的结构是在引力的作用下自底向上形成的,从最早的恒星、类星体与矮星系到横跨数十亿乃至上百亿光年的大尺度结构,而这一切最初皆可追溯至暴胀(inflation)时期量子涨落所导致的微小密度差异。此外,尽管经历了不同的演化阶段,但星系仍保持着宇宙微波背景辐射“凝固”之时重子声学振荡的关联长度。

在宇宙随时间膨胀的过程中,宇宙常数Λ的作用逐渐开始占据上风,战胜与其相反的引力作用,因此宇宙的膨胀正在不断加速。根据CERN的数据,宇宙总质量-能量中的大约68%是与宇宙常数相关的暗能量,大约27%是暗物质,只有大约5%是构成我们在宇宙中所见万物的重子物质。

ΛCDM模型使用基于广义相对论的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规、弗里德曼方程,以及基于热力学的宇宙学状态方程。

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