应用引力扰动理论研究宇宙学中的若干问题

引力扰动理论是目前研究宇宙学非常重要的基本工具。本项目以引力扰动理论为基础研究宇宙学中几个相关的重大问题：（1）利用微波背景辐射的温度涨落和极化涨落功率谱检验新物理过程；（2）研究暗物质的粒子物理模型和产生机制，利用大尺度结构观测区分不同的暗物质模型；（3）研究暗能量的物理本质及其观测效应，研究暗能量本身的引力扰动性质及与其它物质的耦合，以及从观测上区分不同的宇宙加速膨胀机制。

宇宙学中的引力扰动理论，即宇宙学扰动理论，是研究宇宙结构形成和演化的基本工具。它是研究宇宙学中各种物理现象的一把关键的钥匙，有助于我们深刻理解宇宙中物质的形态、空间分布及演化行为。本项目应用宇宙学扰动理论研究了宇宙学中若干引人注目的热门问题，主要包括以下几个方面：（1）详细地研究了暗能量的扰动性质及其观测效应。在结合观测数据探讨暗能量基本性质的工作中，我们深化了合理处理暗能量非均匀性的方法的理论基础，进一步证实暗能量的扰动是不可忽略的。在暗能量物理本质未知的情况下该工作对探测暗能量性质有重要的意义；我们考察了在一般扰动初始条件下暗能量非均匀性的演化行为及其对微波背景辐射温度涨落功率谱以及大尺度结构物质功率谱的影响。结果显示目前的观测数据对初始条件并不敏感，因此在数据分析中暗能量的扰动初始条件的选取不会对结果带来显著的影响。（2）基于高阶导数的标量场理论我们探讨了更为广泛、其状态方程能跨越-1的一类暗能量模型，这类模型的优点是它没有量子不稳定性等问题。（3）我们改进了利用微波背景辐射的极化实验检验CPT破缺的方法，并考察了新的观测数据对CPT破缺效应以及相关的旋转角各向异性的限制。这对今后利用更高精度的极化实验（如Planck）数据开展该方面的研究提供了一个新的起点。（4）在早期宇宙研究方面我们基于共形Galileon理论构造了无量子不稳定性的反弹宇宙模型，并详细研究了该模型中的原初扰动产生机制；探讨了浮现宇宙模型与零能条件破缺的关系；针对Ekpyrotic宇宙学中原初扰动产生机制的问题提出了新的熵扰动产生机制，该机制在数学上具有稳定性而且能自然地产生符合观测要求的近标度不变的原初密度扰动。这些研究对探讨有别于暴涨的早期宇宙模型有积极的意义。