用宇宙微波背景检验暴涨模型

随着天文观测数据的不断增多，宇宙学成为了一个重要的研究课题。尤其是对微波背景各向异性的卫星探测的数据分析，在标准宇宙学模型下，给出了精确的宇宙参数。最近，第二代探测卫星WMAP即将发布最后一批数据，第三代探测卫星Planck已经开始采集数据，将来用这些大量数据来分析宇宙早期的物理非常重要。我们采用蒙德卡洛-马尔科夫链方法，结合地面上和卫星上探测的宇宙微波背景数据，分析原初曲率扰动的功率谱的形状，验证是否偏离标度不变的，幂率的，或谱指标跑动的原初曲率扰动，分析重构的原初扰动功率谱对其它宇宙参数（譬如，宇宙再电离的光深和中微子的质量）的影响。利用宇宙微波背景的极化模式数据，重构原初引力波动的功率谱，验证最小耦合的单场慢滚暴涨模型所预言的一致性关系是否成立，从而区分暴涨模型。引入熵扰动分量，分析微波背景数据对其限制。分析温度各项异性像素图的高阶统计，探测曲率扰动的非高斯性。

暴胀模型不但解释了热大爆炸宇宙学中存在的平坦性问题和视界问题，而且预言了近标度不变的标量扰动和张量扰动，这为宇宙微波背景辐射的各向异性所支持。然而，暴胀场的物理本质仍是一个开放的研究问题，如何从更基本的理论中构建暴胀模型是重要的研究方向。另一方面，用观测数据来区分或限制不同的暴胀模型也是十分有意义的研究方向。继2012年WMAP卫星实验发布了最后一批宇宙微波背景辐射数据，2013年Planck卫星实验首次发布观测数据和分析结果，2015年Planck研究组发布了全部数据，包括温度和极化数据，这些观测数据为研究暴胀模型提供了很好的机会。我们的研究项目主要是用宇宙微波背景辐射数据来检验暴胀模型，取得的研究成果如下：(1) 利用最新的宇宙微波背景辐射数据，在扩充的宇宙模型中重构了原初曲率扰动的功率谱，分析了中微子和原初氦丰度对重构的影响，加入极化数据允许我们重构原初张量扰动的功率谱。(2) 提出了Gauss-Bonnet暴胀模型, 计算了原初曲率扰动和张量扰动的功率谱, 耦合项能有效平衡势函数对暴胀场产生的势力，从而降低了对势函数平坦性的要求，有效压低了张量标量比。(3) 在超引力理论中我们采用一个单手征超场构造了拐点暴胀模型，计算了标量谱指标和张量标量比，发现与Planck研究组的2015结果非常一致。暴胀结束后超对称的强破缺产生了非超对称de Sitter真空，从而解释了宇宙目前的加速膨胀。(4) 从反弹暴胀模型中来解释CMB大角度功率谱缺失和大的半球不对称，宇宙收缩过程产生的原初功率谱在大尺度上是蓝谱，此蓝谱能产生大的偶极不对称，避免了GZ效应的观测限制，理论上得到的偶极振幅与数据一致。同时，由于原初扰动功率谱在大尺度上是蓝谱，对CMB角功率谱的贡献迅速减少，缓解了大角度功率谱的缺失。