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宇宙学与天体物理学

暗能量与加速膨胀

远处超新星、CMB和大尺度结构观测表明宇宙膨胀正在加速。“暗能量”是宇宙学模型中对产生这一效应成分的称呼。

远处超新星、CMB和大尺度结构观测表明宇宙膨胀正在加速。“暗能量”是宇宙学模型中对产生这一效应成分的称呼。

a¨/a=−4πG3(ρ+3pc2),pΛ=−ρΛc2\ddot{a}/a = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3p}{c^2}\right),\qquad p_\Lambda=-\rho_\Lambda c^2

定义: 状态方程参数w

在广义相对论中，足够大的负压可使尺度因子a(t)加速。宇宙学常数Λ是与当前数据相符的简单描述，但其深层物理本质仍未解决。

调整参数以观察物理关系。图示为示意图，并非天文尺度。

模型与观测

在广义相对论中，足够大的负压可使尺度因子a(t)加速。宇宙学常数Λ是与当前数据相符的简单描述，但其深层物理本质仍未解决。

例题: 快速估算

根据上面的关系预测改变一个参数后的趋势，再用模拟检验。

解答

固定其他量并使用公式。模拟用于展示趋势，不能替代真实数据或不确定度分析。

弗里德曼加速方程表明，在广义相对论中压强也产生引力：当 ρ+3p/c2<0\rho+3p/c^2<0 时，某成分会使膨胀加速。若状态方程参数 w=p/(ρc2)w=p/(\rho c^2) 为常数，其密度按 ρ∝a−3(1+w)\rho\propto a^{-3(1+w)} 变化；宇宙学常数具有 w=−1w=-1 且密度不变。Ia型超新星测量光度距离随红移的关系，CMB和重子声学振荡则提供互补标准尺度。联合使用这些观测有助于区分膨胀历史与某类天体的本征亮度。

Λ\LambdaCDM假说用宇宙学常数很好地拟合当前数据，但无法解释为何真空能量远小于理论预期，这就是宇宙学常数问题。精质等动态场允许 ww 随时间变化，但观测约束严格，而且可能与曲率或系统误差退化。因此，“暗能量”是模型中某一成分的名称，并非微观本质已被识别。未来检验需要一致地测量距离、结构增长率和弱引力透镜。

快速检测

模拟或公式最适合用来做什么？

对天文现象得出结论时应考虑什么？

参考文献

  1. Bradley W. Carroll and Dale A. Ostlie (2017). An Introduction to Modern Astrophysics