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ΛCDM模型

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一张表示宇宙间不同物质能量成分的饼图,大约有96%的能量来自奇异的暗物质暗能量
ΛCDM模型,加速擴張的宇宙

ΛCDM模型(英語:ΛCDM Model)是所谓Λ-冷暗物质Lambda Cold Dark Matter模型的简称。它在大爆炸宇宙学中经常被称作索引模型,这是因为它尝试解释了对宇宙微波背景辐射宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀的超新星观测。它是当前能够对这些现象提供融洽合理解释的最简单模型。

在宇宙学中,这些是能够构建一个自洽的物理宇宙模型的最简单的假设。而ΛCDM模型终归只是一个模型,宇宙学家们预计在对相关的基础物理了解更多之后,这些简单的假设都有可能被证明并不完全准确。具体而言,暴脹理论预言宇宙的空间曲率在10−5到10−4的量级。另外也很难相信暗物质的温度是绝对零度。ΛCDM模型也并没有在基础物理层面上解释暗物质、暗能量以及具有接近尺度不变的能量谱的太初微扰的起源:从这个意义上说,它仅仅是一个有用的参数化形式。

参数

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模型含有六个基本参数。

模型中包含的误差分析显示,实际的真实值有68%的置信概率落到测量结果的上下限之间。误差并不是非高斯分布的,它们是通过对威尔金森微波各向异性探测器的数据以蒙特卡罗马尔可夫链方法进行误差分析得出的,其中也使用了斯隆数字巡天Ia型超新星的观测数据。

参数数值描述
基本参数
Ωb0.04860.0010+0.0010{\displaystyle 0.0486_{-0.0010}^{+0.0010}}重子密度
Ωc0.25890.0057+0.0057{\displaystyle 0.2589_{-0.0057}^{+0.0057}}暗物质密度
t013.7990.021+0.021×109{\displaystyle 13.799_{-0.021}^{+0.021}\times 10^{9}}y宇宙的年龄
ns0.96670.0040+0.0040{\displaystyle 0.9667_{-0.0040}^{+0.0040}}尺度能谱指数
ΔR2{\displaystyle \Delta _{R}^{2}}2.4410.092+0.088×109{\displaystyle 2.441_{-0.092}^{+0.088}\times 10^{-9}}尺度涨落振幅,
k0 = 0.002 Mpc-1
τ0.0660.012+0.012{\displaystyle 0.066_{-0.012}^{+0.012}}宇宙再电离所需的光深度
固定参数
Ωtot1{\displaystyle 1}空间曲率
w1{\displaystyle -1}状态方程
r0{\displaystyle 0}张量标量比
d ns / d ln k0{\displaystyle 0}能谱指数的变化
Σmν0.06{\displaystyle 0.06}eV/c2中微子质量总和
Neff3.046{\displaystyle 3.046}有效的自由相對論度數
导出参数
H067.740.46+0.46{\displaystyle 67.74_{-0.46}^{+0.46}} km s−1Mpc−1哈勃常数
Ωm0.30890.0062+0.0062{\displaystyle 0.3089_{-0.0062}^{+0.0062}}总物质密度(重子+暗物质)
ΩΛ0.69110.0062+0.0062{\displaystyle 0.6911_{-0.0062}^{+0.0062}}暗能量密度
ρcrit8.620.12+0.12×1027{\displaystyle 8.62_{-0.12}^{+0.12}\times 10^{-27}} kg/m3临界密度
σ80.81590.0086+0.0086{\displaystyle 0.8159_{-0.0086}^{+0.0086}}星系涨落指数
在平均8h-1 Mpc半徑的球形上
zre8.51.1+1.0{\displaystyle 8.5_{-1.1}^{+1.0}}再电离红移

ΛCDM模型的优势

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在所有宇宙学模型中,ΛCDM模型取得了最显著的成功;它以卓越的精确度描述了涵盖几乎所有领域的天文观测结果。[4]​其主要成功之处包括:

除了成功解释2000年前的多项观测外,该模型还做出了多项成功预测:

  • 成功预测了重子声学振荡特征,并于2005年由SDSS2dFGRS研究组发现;[9]
  • 成功预测了2000年首次观测到的弱引力透镜统计特性;
  • 成功预测了2002年由DASI发现的CMB偏振特性。

在2015年普朗克数据发布中,温度(TT)功率谱中观测到七个峰值,温度-偏振(TE)交叉谱中六个峰值,以及偏振(EE)谱中五个峰值。​仅通过TT谱就能很好地约束六个自由参数,然后TE和EE谱可以在没有进一步调整的情况下,由ΛCDM模型以百分之几的精度进行理论预测。

扩展模型

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由最简单的ΛCDM模型可以进一步扩展为其他模型,例如可以用第五元素替代宇宙常数项,在这种情况下暗能量的状态方程可以为-1以外的其他值。宇宙暴脹预言了时空度规张量的涨落(即引力波),它们的振幅可由张量标量比(tensor-to-scalar ratio)参数化,而后者由暴脹的能量尺度决定。其他对模型的修正包括允许空间曲率的存在或随时间变化的能谱指数,这些在一般观点看来都是和暴脹理论相违背的。

允许引入这些参数通常都会增加上述基本参数的测量误差,并在某种程度上使测量值产生偏移。

参数数值描述
Ωtot{\displaystyle \Omega _{tot}}1.00230.0054+0.0056{\displaystyle 1.0023_{-0.0054}^{+0.0056}}空间曲率
w{\displaystyle w}0.9800.053+0.053{\displaystyle -0.980_{-0.053}^{+0.053}}状态方程
r{\displaystyle r}<0.11{\displaystyle <0.11}, k0 = 0.002 Mpc−1 (2σ)张量标量比
d ns/d lnk{\displaystyle d\ n_{s}/d\ \ln k}0.0220.020+0.020{\displaystyle -0.022_{-0.020}^{+0.020}}, k0 = 0.002 Mpc−1能谱指数的变化
Σmν{\displaystyle \Sigma m_{\nu }}<0.58{\displaystyle <0.58}eV/c2 (2σ)中微子质量总和
Ωvh2{\displaystyle \Omega _{v}h^{2}}<0.0062{\displaystyle <0.0062}物理中微子密度參數

这些参数与一个具有参数ω=1{\displaystyle \omega =-1\,}的宇宙的状态方程、以及一个空间曲率为零的情形相洽。

参考文献

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  1. ^Abbott, T. M. C.; Allam, S.; Andersen, P.; Angus, C.; Asorey, J.; Avelino, A.; Avila, S.; Bassett, B. A.; Bechtol, K.; Bernstein, G. M.; Bertin, E.First Cosmology Results using Type Ia Supernovae from the Dark Energy Survey: Constraints on Cosmological Parameters. The Astrophysical Journal Letters. 2019-02,872 (2) [2025-03-29].ISSN 2041-8205.doi:10.3847/2041-8213/ab04fa(英语). 
  2. ^2.02.1Collaboration, Planck; Aghanim, N.; Akrami, Y.; Ashdown, M.; Aumont, J.; Baccigalupi, C.; Ballardini, M.; Banday, A. J.; Barreiro, R. B.,Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters, 2021-08-09 [2025-03-29],doi:10.48550/arXiv.1807.06209 
  3. ^3.03.1Particle Data Group; Tanabashi, M.; Hagiwara, K.; Hikasa, K.; Nakamura, K.; Sumino, Y.; Takahashi, F.; Tanaka, J.; Agashe, K.; Aielli, G.; Amsler, C.Review of Particle Physics. Physical Review D. 2018-08-17,98 (3) [2025-03-29].doi:10.1103/PhysRevD.98.030001. 
  4. ^Abdalla, Elcio; Abellán, Guillermo Franco; Aboubrahim, Amin; Agnello, Adriano; Akarsu, Özgür; Akrami, Yashar; Alestas, George; Aloni, Daniel; Amendola, Luca; Anchordoqui, Luis A.; Anderson, Richard I.Cosmology intertwined: A review of the particle physics, astrophysics, and cosmology associated with the cosmological tensions and anomalies. Journal of High Energy Astrophysics. 2022-06-01,34 [2025-03-29].ISSN 2214-4048.doi:10.1016/j.jheap.2022.04.002. 
  5. ^Aiola, Simone; Calabrese, Erminia; Maurin, Loïc; Naess, Sigurd; Schmitt, Benjamin L.; Abitbol, Maximilian H.; Addison, Graeme E.; Ade, Peter A. R.; Alonso, David; Amiri, Mandana; Amodeo, Stefania.(Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_7) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/110.0.0.0 Safari/537.36 Citoid/WMF (mailto:noc@wikimedia.org)&ssu=&ssv=&ssw=&ssx=eyJ1em14IjoiN2Y5MDAwMmQxNTMxZTktY2E3NC00ODQxLThhOGMtN2VmNjZlOTZiN2ZmMS0xNzQzMjExNjMxMDQ5MC0wMGIyMGRiNTU0NTlmZGUwMTAiLCJfX3V6bWYiOiI3ZjYwMDAxMjJkZWM5Ni1iNTkyLTRjNmUtODI0Ny0zODA1MmY0NDk4NWIxNzQzMjExNjMxMDQ5MC05MjcwMGRmN2UwNjllNWYyMTAiLCJyZCI6ImlvcC5vcmcifQ== The Atacama Cosmology Telescope: DR4 maps and cosmological parameters 请检查|url=值 (帮助). Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2020-12-01,2020 (12) [2025-03-29].ISSN 1475-7516.doi:10.1088/1475-7516/2020/12/047. 
  6. ^SPT-3G Collaboration; Dutcher, D.; Balkenhol, L.; Ade, P. A. R.; Ahmed, Z.; Anderes, E.; Anderson, A. J.; Archipley, M.; Avva, J. S.; Aylor, K.; Barry, P. S.Measurements of the $E$-mode polarization and temperature-$E$-mode correlation of the CMB from SPT-3G 2018 data. Physical Review D. 2021-07-13,104 (2) [2025-03-29].doi:10.1103/PhysRevD.104.022003. 
  7. ^7.07.1Riechers, Dominik A.; Weiss, Axel; Walter, Fabian; Carilli, Christopher L.; Cox, Pierre; Decarli, Roberto; Neri, Roberto.Microwave background temperature at a redshift of 6.34 from H2O absorption. Nature. 2022-02,602 (7895) [2025-03-29].ISSN 1476-4687.PMC 8810383可免费查阅.PMID 35110755.doi:10.1038/s41586-021-04294-5(英语). 
  8. ^Turner, Michael S.The Road to Precision Cosmology. Annual Review of Nuclear and Particle Science. 2022-09-26,72 (Volume 72, 2022) [2025-03-29].ISSN 0163-8998.doi:10.1146/annurev-nucl-111119-041046(英语). 
  9. ^Cole, Shaun; Percival, Will J.; Peacock, John A.; Norberg, Peder; Baugh, Carlton M.; Frenk, Carlos S.; Baldry, Ivan; Bland-Hawthorn, Joss; Bridges, Terry; Cannon, Russell; Colless, Matthew.The 2dF Galaxy Redshift Survey: power-spectrum analysis of the final data set and cosmological implications. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2005-09-11,362 (2) [2025-03-29].ISSN 0035-8711.doi:10.1111/j.1365-2966.2005.09318.x. 

延伸阅读

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结构形成
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宇宙的終極命運
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