粘滞性暗流体模型及其未来奇异性

摘要

宇宙加速膨胀这一事实的确证，在帮助Saul Perlmutter、Brian Schmidt、Adam Riess分享2011年诺贝尔物理学奖的同时，为现代宇宙学理论指出了明确的发展方向。现今，独立、精确的宇宙学观测手段一方面为传统宇宙学模型给出行之有效的检验方法，一方面为我们探寻真实的宇宙演化图景提供了极有价值的线索。本文在解析推导和数值分析两方面，具体研究了一类具有粘滞性的暗流体模型的演化性质。这些模型在不引入暗能量组分的前提下，仅考虑其流体自身的粘滞性效应，成功地再现了与观测事实符合的宇宙晚期加速膨胀。进一步，我们对于这些模型所刻画的宇宙演化命运进行了细致的归类与推演，探讨了几种未来奇异性(finite future singularity、big rip、little rip、和pseudo rip)发生的条件。
　　 论文共有六个部分。在第一章引言之后，我们首先(第二章)介绍了标准宇宙学理论框架以及近年来为解释宇宙加速膨胀的观测事实而发展的常见修改引力理论与暗能量模型，并着重介绍了具有粘滞性的暗流体模型的基本理论。在第三章，我们介绍了本文工作所使用的通过宇宙学观测数据对暗能量模型的限制方法，包括Ⅰa型超新星(SNe TypeⅠa)和观测的哈勃参量数据集(OHD)，它们将被用于模型参数的拟合。在第四章我们提出了两个具体的粘滞性暗流体模型，它们都能够通过适当选取模型参数，成功再现宇宙的演化历史而不必引入暗能量。首先是含有粘滞性项形如ζ=ζ0+(ζ1-ζ2q)H的模型，它考察了粘滞性与宇宙加速状态之间的联系；另一个模型具有形如ζ=ζ0+ζ1H+ζ2H2的粘滞性项，它描述了暗流体粘滞性受宇宙物质组分间动能传递影响的情形。我们通过理论推导给出了这两个模型的精确解，并通过与超新星数据及哈勃参量数据的比较，给出模型参数的最佳估计值，并依此绘制各宇宙学量的演化图线。在第五章，我们着眼于宇宙学模型的演化命运，探讨了前述粘滞性暗流体模型的奇异性问题。并依此进行了有限未来奇异性以及“撕裂”(rip)的归类与讨论。在论文第六章，我们对文中的结果进行了总结、讨论与展望。