基于宇宙微波背景辐射观测的早期宇宙学研究

本项目的研究内容主要包括两个部分：宇宙微波背景辐射（CMB）观测研究和早期宇宙模型检验。早期宇宙，作为一个包含了宇观物理和微观物理的天然实验室。通过对其中物理过程的研究，人们预期找到一条研究极高能标物理的正确途径。而最近各种宇宙学观测，特别是对CMB温度各向异性的观测，正好使得对早期宇宙的观测研究成为可能。目前通过各种观测，特别是WMAP和SDSS等，我们已经对早期宇宙有了一个比较模糊的了解。人们普遍相信，目前的观测已经间接证实了早期宇宙暴涨阶段的存在。但是对暴涨的能标等细节问题仍不清楚。针对这些问题，本项目主要在以下两个方面展开工作。首先，我们研究CMB探测器（包括Planck卫星等）的温度各向异性和极化信号：主要包括E-模和B-模极化的剥离，宇宙前景辐射的去除等。这方面我们已经有了一定的积累；同时，结合前面的结果，通过研究CMB中的原初引力波和非高斯信号来区分和限制各种早期宇宙学模型。

在国家自然科学基金面上项目：基于宇宙微波背景辐射观测的早期宇宙学研究（批准号：11173021）的大力支持下，我们项目组成员在2012.1-2015.12年之间，集中研究了以下几个相关领域：宇宙微波背景辐射观测数据中大尺度异常现象的分析；宇宙原初引力波功率谱及其探测；在各种修改引力理论中的原初扰动谱（包括密度扰动和引力波的）详细计算；发展了Uniform计算方法用于早期宇宙学研究；原初引力波的偏极化与非高斯分析；宇宙微波背景辐射的极化物理研究等几个相关的研究方向。期间共发表SCI论文36篇，达到了预期的研究目标。通过这些研究我们取得的比较重要的成果如下：（1）通过对WMAP和Planck卫星观测数据的分析，我们发现背景辐射的大暗斑是完全的大尺度效应，因此倾向于其宇宙学解释，而其中的宇称不对称，象限不对称等观测现象由于与其它运动学效应成协，因此倾向于其非宇宙学解释；（2）我们发现前景辐射对于背景辐射中引力波信号的探测影响极为重要，在未来的探测中如果考虑到前景辐射的污染，将使得暴涨模型中最重要的自洽性关系的检验变得不可能了；（3）我们发展了新的计算宇宙原初扰动的方法，即Uniform方法。相对于传统的近似方法，该方法的优点非常明显，与严格的数值解相比，其误差大大减小了，而且能够实现功率谱的参数化，从而可以应用到MCMC方法中。我们将该方法应用到Horava引力，圈量子引力等暴涨模型，并用Planck卫星的观测数据重新对模型进行了限制。（4）我们细致研究了通过脉冲星计时阵列的方法探测宇宙原初引力波的可能性。发现目前的观测数据已经对宇宙学参数，例如暴涨的哈勃参数，张标比，引力波谱指数等作出了比较严格的限制。未来的FAST，SKA等有可能探测到蓝谱的引力波背景。这些研究成果已经被国际上的观测团组PPTA，EPTA，NANoGrav，FAST，SKA，IPTA等的文章直接引用。