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1、第27卷第2期天文学进展V61!27,NoZ2009年6月PROGRESSINASTRONOMYJun.,2009文章编号:1000-8349(2009)02一129一23暗能量的理论模型陈云(北京师范大学天文系,北京100875)摘要:自1998年超新星观测发现宇宙加速膨胀以来,暗能量问题已经成为当前天体物理和宇宙学研究中最重要的问题之一此后关于宇宙微波背景辐射和大尺度结构的测量也进一步支持了1998年的发现.该文首先概述了宇宙学的起源,然后详细介绍了目前解释宇宙加速膨胀机制的三类模型,包括各模型提出的动机!存在的优缺点,以及当前的主要进展等.最后对暗能量模型作了总结和展望.
2、关扭词:宇宙学;加速膨胀;暗能量;理论模型中图分类号:P159文献标识码:A1引言1929年哈勃(EdwinHubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究,估算出了视向速度与距离之间的线性正比关系.现代精确观测已证实这种线性正比关系:v=HOxd,其中v为退行速度,d为星系距离,H0为比例常数,称为哈勃常数,这就是著名的哈勃定律.哈勃定律揭示了宇宙是在不断膨胀的,这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀.自20世纪20年代得知宇宙在膨胀以来,科学家一直对膨胀会永远持续下去的观点持有争议.因为根据广义相对论,如果宇宙中只有物质和辐射,宇宙的膨胀应该是减速的.然而1998年,两个国
3、际超新星团队(HZT:HighRedshiftSupernovaSearehTeam和Sep:SupernovaCosmologyProject)的观测与研究结果却表明,当前的宇宙不但在膨胀,而且还在加速膨胀.天文学家用/暗能量0来命名驱使宇宙加速膨胀的物质成分.这一发现被5科学6杂志列为1998年最重要的科学发现之一"暗能量的存在改变了人们对物质在宇宙中所起作用的认识.按照爱因斯坦的广义相对论,收稿日期-2008-06-04;修回B期:2008-09一17签金项目,国家自然科学基金重点项目(10533010)130天文学进展27卷在一个仅含有物质的宇宙中,物质密度决定了宇宙的
4、几何,以及宇宙的过去和未来;如果考虑暗能量,情况就完全不同.首先,总能量密度(物质能量密度与暗能量密度之和)决定着宇宙的几何特性;其次,宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期.大约在/大爆炸0之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位,但这已成为过去;现在宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,因此研究暗能量的本质属性是当前宇宙学研究的一项重要任务"宇宙学作为一门观测科学,起源于20世纪20年代初.随着探测技术,特别是空间探测技术的发展,新一代高精度的气球!望远镜和卫星等实验数据的空前积累极大丰富了人们对宇宙的认识;尤其是2003年!2006年和2008年三次公布的
5、威尔金森各向异性探测器(WMAP)的观测结果,以及斯隆数字巡夭(SDSS)等结果的出现,精确给出大多数宇宙学参数的测量结果,并最终建立起了当代宇宙学的标准模型一大爆炸+暴涨+ACDM模型.该模型认为,现在宇宙中的成分包括:约73%的暗能量!23%的暗物质(主要是冷暗物质)!4%左右的重子物质,以及少量的光子和中微子.其中未知的暗能量和暗物质是现在宇宙的主要组分,这是当代宇宙观测给出的最重要!最出人意料的结果"另外该模型认为在宇宙的极早期,大爆炸开始之后宇宙存在一个急速膨胀阶段,即暴涨阶段,该阶段抹平了早期宇宙存在的各种不均匀性并且留下了后来宇宙结构形成的种子.标准宇宙学模型[l
6、]的一个重要前提(或者基本假设)就是宇宙学原理:宇宙在大尺度上是均匀各向同性的.它表明宇宙中物质和能量的分布是一样的,没有一处是特殊的.宇宙学原理成立的一个重要推论是宇宙无中心;为了纪念哥白尼,这一推论也被称为哥白尼原理,即/宇宙中没有任何一点是特殊的,所有的位置都是平权的.0哥白尼原理的另一种方式陈述是,一个观测者所观测到的大尺度结构图像都和在宇宙中任何其他地方所观测到的一样.能够描述均匀各向同性物质分布的就是Riedmann一Robertson一Walker(FRW)度规:J~2dsZ=dtZ一aZ(川,胜,1华_一卜阴乙+rZ(!d02+sinZsd功2,!}l,(1)-
7、1)宁1,J其中,(r,0,哟是固定在介质质元上的随体坐标,或叫共动坐标,意指在宇宙膨胀或收缩时,每一质元的空间坐标都是不变的.艺是时间坐标,它相当于任一质元上的静止时钟的走时.k为曲率因子,k二0,+1,一1决定平直!闭合!开放的三维空间几何结构,a(t)是时间的函数被称为标度因子(SealeFaetor),当前的值为a(t=to)=a"=1.宇宙学是研究宇宙结构及其演化的学科,而式(l)只是说明了宇宙的时空结构,并不能推出宇宙的演化.为了描述宇宙的动力学,需要引入爱因斯坦引力场方程来决定
