宇宙微波背景辐射与暗物质、暗能量的研究

本项目主要研究宇宙学中的三个问题，暴胀、微波背景辐射和宇宙加速膨胀及其之间的关联，这是宇宙演化的三个关键阶段。微波背景辐射(CMB)是相对简单、明确的一个阶段（这个阶段的重大发现已经获得了两次诺贝尔奖）。我们从这个阶段出发，往两端延伸。一端衔接到宇宙早期的暴胀阶段，研究原初扰动及其可能导致的观测效应，包括结构种子的起源和演化行为对功率谱的影响、CMB中不均匀的噪声对非高斯性的观测效应、暴胀产生的原初引力波对偏振B模的影响等重要问题；另一端衔接到第一代恒星及结构的形成，研究宇宙再电离时期的物理过程、暗物质湮灭对结构形成和再电离的影响等问题。而宇宙膨胀的下一个转折，即进入后期的加速膨胀阶段，涉及到暗能量问题，我们着重研究用弱引力透镜及高红移处的伽玛暴数据对暗能量性质进行约束。本项目争取对暴胀、CMB和宇宙加速膨胀及其之间的关联形成一个比较系统的研究。并密切联系观测的发展，作一些有特色的工作。

本项目主要研究宇宙学中的三个问题，暴胀、微波背景辐射和宇宙加速膨胀及其相关的暗物质、暗能量之间的关联。研究工作均围绕这一研究计划，未有较大的调整和变动。三年共发表论文17篇。在暴胀中的粒子生成及其观测效应的研究中，通过引入暴胀中的粒子生成效应来实现对标准慢滚暴胀过程的偏离，得到一个具有特征性震荡的原初曲率型微扰功率谱，由此计算了CMB的各向异性角功率谱。结果给出了在CMB功率谱的多极矩20-40附近的反常的下陷及隆起，以及在大尺度上比ΛCDM模型给出的理论值有明显的压低行为。这些都与WMAP的观测结果一致。在微波背景辐射的局域统计性质的研究中，根据WMAP五年的数据，用两个宇宙学模型研究了微波背景上的局域极大值，计算了二极矩模的一点和两点统计函数。还研究了微波背景上的局域非高斯性，这一局域图像是基于2维天球三次样条插值给出的，得到了比通常的线性插值更精确的结果，计算了非高斯的置信度函数，进行了最佳拟合，得到了微波背景上非高斯性的轮廓概貌。在暗物质晕的研究中，我们着重研究了一类新的暗物质结构，暗物质超紧致小晕的相关问题。一方面用现在WMAP-7年数据和模拟的Planck卫星的微波背景数据对参数进行了限制，得到了超紧致小晕的丰度值。另一方面用Fermi实验室对星系际伽马射线背景的观测数据限制了在三个相变过程中的超紧致小晕的丰度。并对两者的结果进行了比较，发现由微波背景所做的限制较弱，而由Fermi实验室的数据所做的限制更严格一些。在暗能量及其相关问题的研究中，利用增长率数据限制各类暗能量模型的参数。通过主要观测数据的联合分析，发现增长率数据对改进这一限制是有效的。结果表明，ΛCDM模型仍然与现有的观测结果较好的相符。另一方面，我们比较了不同的模型并对它们进行了评估。结果表明，现有的Λ冷暗物质和谐宇宙模型仍然是解释观测数据的最佳选择。能够最终约化到ΛCDM模型的那些模型都能较好的拟合数据，反之，不能约化到ΛCDM模型的那些模型拟合数据的能力都很牵强。我们还研究了暗能量状态方程的参数化问题。在伽玛暴宇宙学方面，我们从多个方面着手研究了提高相应观测精确度的方法，包括改善已有的标准烛光关系、寻找新的标准烛光关系、探索新的观测方法等。同时利用现有的观测数据对宇宙学参数特别是暗能量的性质进行了限制。