关于当前宇宙加速膨胀若干问题的物理研究

摘要

目前,通过对Ⅰa型超新星观测以及对源于Wilkinson Microwave AnisotropyProbe(WMAP)精确数据的分析表明我们的宇宙目前正处于加速膨胀的阶段。这与以普通重子物质为基础的热大爆炸宇宙学模型相矛盾。按照热大爆炸宇宙学模型的观点,宇宙应该是减速膨胀的。为了能够在热大爆炸宇宙学模型的框架下解释宇宙当前的加速膨胀,就要对其进行修正。修正的方式主要有两种,一是通过在宇宙组分中引入一种新的、具有负压强的、且在大尺度结构中是均匀分布的动力学成分,即所谓的暗能量。这实际上是对Einstein引力场方程的右边进行了修正。这种修正的正确性是由Wilkinson Microwave AnisotropyProbe(WMAP)所支持。该探测显示,暗能量占宇宙物质总成分的73％。因此,有理由认为它是当前宇宙加速膨胀的诱因。二是通过对Einstein引力场方程的左边,即时空几何部分,进行修正。这类修正通常被称为引力修正理论,f(R)引力理论就是其中较具竞争力的一个。
　　 本文分别从上述两个途径入手,对当前加速膨胀宇宙中的若干问题进行了研究。首先,对作为暗能量与暗物质统一模型的新的广义Chaplygin气体进行了讨论。我们不仅分别讨论了当暗能量和暗物质之间存在和不存在相互作用时,能量密度随红移z的演化趋势,而且还给出了暗能量和暗物质间能量转移的演化规律。同时,标记转移强度常数的今天值也被给出。为了考察该模型对结构形成的影响,我们给出了其增长因子的演化轨迹。并将其与广义Chaplygin气体和ACDM模型增长因子的演化轨迹进行了比较。最后运用Om诊断对新的广义Chaplygin气体,广义Chaplygin气体和ACDM模型进行了区分。
　　 其次,我们在Raychaudhuri方程的基础上,导出了物质与几何间存在任意耦合时f(R)引力中的四种能量条件,即强能量条件,零能量条件,弱能量条件和主能量条件。同时,我们还导出了在物质与几何间存在任意耦合的f(R)引力中使引力保持吸引的条件和Dolgov-Kawasaki不稳定性判据。本文中得到的能量条件和Dolgov-Kawasaki不稳定性判据具有普适性,它囊括了f(R)引力中当物质与几何间存在非最小耦合时,无耦合时以及广义相对论的情况。为了看清四个能量条件和Dolgov-Kawasaki不稳定性判据在具体模型中的含义,我们考虑了一类f(R)模型。
　　 最后,我们讨论了如何在物质与几何间存在非最小耦合的f(R)引力中实现当前宇宙的加速膨胀。在幂律暴涨和态方程小于-1/3的条件下,我们给出了模型中参数间的关系以及在该模型中当前宇宙加速膨胀的条件和物质候选者。

目录

文摘

英文文摘

1 引言

2 热大爆炸宇宙学模型

2.1 宇宙学原理

2.2 宇宙动力学

2.3 宇宙学的相关物理参量

2.3.1 哈勃参量(Hubble parameter) H

2.3.2 密度参数(density parameter)Ωi

2.3.3 红移因子(redshift)z

3 几种常见的暗能量模型

3.1 宇宙学常数

3.2 标量场暗能量模型

3.2.1 Quintessence暗能量模型

3.2.2 Phantom暗能量模型

3.3 Chaplygin气体模型

4 对新的广义Chaplygin气体(NGCG)的讨论及其Om诊断

4.1 新的广义Chaplygin气体(NGCG)的动力学演化

4.2 对新的广义Chaplygin气体(NGCG)的讨论

4.2.1 能量密度随红移z的演化

4.2.2 NGCG模型对结构形成的影响

4.3 对新的广义Chaplygin气体(NGCG)的Om诊断

4.3.1 Om诊断

4.3.2 对新的广义Chaplygin气体(NGCG)的Om诊断

5 耦合条件下的f(R)引力理论

5.1 f(R)引力理论简介

5.2 耦合条件下的f(R)引力理论

5.3 任意耦合f(R)引力中的能量条件

5.4 一类f(R)模型的能量条件

5.5 任意耦合f(R)引力中的稳定性

5.6 非最小耦合f(R)引力中对宇宙加速膨胀的实现

6 结论与展望

参考文献

附录

本人在研究生期问的主要工作

致谢